多线程，线程池，同步锁（Lock，synchronized ）(Thread类,ExecutorService ，Future类)（卖火车票案例）

多线程介绍

学习多线程之前，我们先要了解几个关于多线程有关的概念。
进程：进程指正在运行的程序。确切的来说，当一个程序进入内存运行，即变成一个进程，进程是处于运行过程中的程序，并且具有一定独立功能。

线程：线程是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的，这个应用程序也可以称之为多线程程序。

简而言之：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程

什么是多线程呢？即就是一个程序中有多个线程在同时执行。

创建线程方式一继承Thread类

创建线程的步骤：

• 1 定义一个类继承Thread。
• 2 重写run方法。
• 3 创建子类对象，就是创建线程对象。
• 4 调用start方法，开启线程并让线程执行，同时还会告诉jvm去调用run方法。

package thread;
//测试类
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
//创建自定义线程对象
        MyThread mt = new MyThread("新的线程！");
//开启新线程
        mt.start();
//在主方法中执行for循环
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main线程！"+i);
        }
    }
}
//线程类
 class MyThread extends Thread {
    //定义指定线程名称的构造方法
    public MyThread(String name) {
//调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
        super(name);
    }
    /**
     * 重写run方法，完成该线程执行的逻辑
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
        }
    }
}

线程对象调用 run方法和调用start方法区别？线程对象调用run方法不开启线程。仅是对象调用方法。线程对象调用start开启线程，并让jvm调用run方法在开启的线程中执行。

 

创建线程方式—实现Runnable接口

创建线程的另一种方法是声明实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。
为何要实现Runnable接口，Runable是啥玩意呢？继续API搜索。
查看Runnable接口说明文档：Runnable接口用来指定每个线程要执行的任务。包含了一个 run 的无参数抽象方法，需要由接口实现类重写该方法。

创建线程的步骤。

• 1、定义类实现Runnable接口。
• 2、覆盖接口中的run方法。。
• 3、创建Thread类的对象
• 4、将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数。
• 5、调用Thread类的start方法开启线程。

代码演示：

package thread;

public class Demo03 {
    public static void main(String[] args) {
//创建线程执行目标类对象
        Runnable runn = new MyRunnable();
//将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数
        Thread thread = new Thread(runn);
        Thread thread2 = new Thread(runn);
//开启线程
        thread.start();
        thread2.start();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main线程：正在执行！"+i);
        }
    }
}
//自定义线程执行任务类
 class MyRunnable implements Runnable{
    //定义线程要执行的run方法逻辑
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("我的线程：正在执行！"+i);
        }
    }
}

实现Runnable的原理

为什么需要定一个类去实现Runnable接口呢？继承Thread类和实现Runnable接口有啥区别呢？

实现Runnable接口，避免了继承Thread类的单继承局限性。覆盖Runnable接口中的run方法，将线程任务代码定义到run方法中。

创建Thread类的对象，只有创建Thread类的对象才可以创建线程。线程任务已被封装到Runnable接口的run方法中，而这个run方法所属于Runnable接口的子类对象，所以将这个子类对象作为参数传递给Thread的构造函数，这样，线程对象创建时就可以明确要运行的线程的任务。

实现Runnable的好处

第二种方式实现Runnable接口避免了单继承的局限性，所以较为常用。实现Runnable接口的方式，更加的符合面向对象，线程分为两部分，一部分线程对象，一部分线程任务。继承Thread类，线程对象和线程任务耦合在一起。一旦创建Thread类的子类对象，既是线程对象，又有线程任务。实现runnable接口，将线程任务单独分离出来封装成对象，类型就是Runnable接口类型。Runnable接口对线程对象和线程任务进行解耦。

线程的匿名内部类使用

使用线程的内匿名内部类方式，可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。
方式1：创建线程对象时，直接重写Thread类中的run方法

package thread;

public class Demo04 {
    public  static  void  main(String[]args){
        new Thread() {
            public void run() {
                for (int x = 0; x < 40; x++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "...X...." + x);
                }
            }
        }.start();
    }
}

方式2：使用匿名内部类的方式实现Runnable接口，重新Runnable接口中的run方法

      Runnable r = new Runnable() {
            public void run() {
                for (int x = 0; x < 40; x++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "...Y...." + x);
                }
            }
        };
        new Thread(r).start();

线程池：

线程池，其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。

在JDK5版本中增加了内置线程池实现ThreadPoolExecutor，同时提供了Executors来创建不同类型的线程池。Executors中提供了以下常见的线程池创建方法：

• 1、newSingleThreadExecutor：   创建一个单线程的线程池。如果因异常结束，会再创建一个新的，保证按照提交顺序执行。
• 2、newFixedThreadPool：　　创建固定大小的线程池。根据提交的任务逐个增加线程，直到最大值保持不变。如果因异常结束，会新创建一个线程补充。
• 3、newCachedThreadPool：　　创建一个可缓存的线程池。会根据任务自动新增或回收线程。
• 4、newScheduledThreadPool：   支持定时以及周期性执行任务的需求。
• 5、newWorkStealingPool：          JDK8新增，根据所需的并行层次来动态创建和关闭线程，通过使用多个队列减少竞争，底层使用ForkJoinPool来实现。优势在于可以充分利用多CPU，把一个任务拆分成多个“小任务”，放到多个处理器核心上并行执行；当多个“小任务”执行完成之后，再将这些执行结果合并起来即可。

线程池不允许使用Executors去创建，而是通过ThreadPoolExecutor的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

说明：Executors各个方法的弊端：
1）newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor:
  主要问题是堆积的请求处理队列可能会耗费非常大的内存，甚至OOM。
2）newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool:
  主要问题是线程数最大数是Integer.MAX_VALUE，可能会创建数量非常多的线程，甚至OOM。

使用线程池方式--Runnable接口

通常，线程池都是通过线程池工厂创建，再调用线程池中的方法获取线程，再通过线程去执行任务方法。 
Executors：线程池创建工厂类

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)：返回线程池对象

ExecutorService：线程池类

Future<?> submit(Runnable task)：获取线程池中的某一个线程对象，并执行
Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用

使用线程池中线程对象的步骤：

• 创建线程池对象
• 创建Runnable接口子类对象
• 提交Runnable接口子类对象
• 关闭线程池

代码演示：

package thread;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
//创建线程池对象
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
//创建Runnable实例对象
        MyRunnable r = new MyRunnable();

//自己创建线程对象的方式
//Thread t = new Thread(r);
//t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run()

//从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
        service.submit(r);
//再获取个线程对象，调用MyRunnable中的run()
        service.submit(r);
        service.submit(r);
//注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。将使用完的线程又归还到了线程池中

//关闭线程池
//service.shutdown();
    }
}

//Runnable接口实现类
class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("我要一个教练");

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("教练来了： " + Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("教我游泳,交完后，教练回到了游泳池");
    }
}

使用线程池方式—Callable接口

Callable接口：与Runnable接口功能相似，用来指定线程的任务。其中的call()方法，用来返回线程任务执行完毕后的结果，call方法可抛出异常。

ExecutorService：线程池类

<T> Future<T> submit(Callable<T> task)：获取线程池中的某一个线程对象，并执行线程中的call()方法

Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用

• 使用线程池中线程对象的步骤：
• 创建线程池对象
• 创建Callable接口子类对象
• 提交Callable接口子类对象
• 关闭线程池

代码演示：

package thread;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolDemo02 {
    public static void main(String[] args) {
//创建线程池对象
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
//创建Callable对象
        MyCallable c = new MyCallable();

//从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
        service.submit(c);

//再获取个教练
        service.submit(c);
        service.submit(c);
//注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。将使用完的线程又归还到了线程池中

//关闭线程池
//service.shutdown();
    }
}
//Callable接口实现类,call方法可抛出异常、返回线程任务执行完毕后的结果
 class MyCallable implements Callable {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        System.out.println("我要一个教练:call");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("教练来了： " +Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("教我游泳,交完后,教练回到了游泳池");
        return null;
    }
}

线程池练习：返回两个数相加的结果

要求：通过线程池中的线程对象，使用Callable接口完成两个数求和操作

• Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用
• V get() 获取Future对象中封装的数据结果

代码演示：

package thread;

import java.util.concurrent.*;

public class ThreadPoolDemo04 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
//创建线程池对象
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);

//创建一个Callable接口子类对象
//MyCallable c = new MyCallable();
        MyCallable c = new MyCallable(100, 200);
        MyCallable c2 = new MyCallable(10, 20);

//获取线程池中的线程，调用Callable接口子类对象中的call()方法, 完成求和操作
//<Integer> Future<Integer> submit(Callable<Integer> task)
// Future 结果对象
        Future<Integer> result = threadPool.submit(c);
//此 Future 的 get 方法所返回的结果类型
        Integer sum = result.get();
        System.out.println("sum=" + sum);

//再演示
        result = threadPool.submit(c2);
        sum = result.get();
        System.out.println("sum=" + sum);
//关闭线程池(可以不关闭)

    }
}

//Callable接口实现类
class MyCallable implements Callable<Integer> {
    //成员变量
    int x = 5;
    int y = 3;

    //构造方法
    public MyCallable() {
    }

    public MyCallable(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        return x + y;
    }
}

线程安全

如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

我们通过一个案例，演示线程的安全问题：

电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “功夫熊猫3”，本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。

我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖 “功夫熊猫3”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)

需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟

package thread;

//测试类
public class ThreadDemo05 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建票对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建3个窗口
        Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
//模拟票
 class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            if (ticket > 0) {
                //模拟选坐的操作
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
            }
        }
    }
}

运行结果发现：上面程序出现了问题

• 票出现了重复的票
• 错误的票 0、-1

其实，线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

线程同步（线程安全处理Synchronized）

java中提供了线程同步机制，它能够解决上述的线程安全问题。

线程同步的方式有两种：

• 方式1：同步代码块
• 方式2：同步方法

同步代码块

同步代码块: 在代码块声明上 加上synchronized

synchronized (锁对象) {
    可能会产生线程安全问题的代码
}

同步代码块中的锁对象可以是任意的对象；但多个线程时，要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。

使用同步代码块，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

package thread;

//测试类
public class ThreadDemo05 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建票对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建3个窗口
        Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
//模拟票
 class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //同步代码块
            synchronized (lock){
                if (ticket > 0) {
                    //模拟电影选坐的操作
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
                }
            }
        }
    }
}

当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。

同步方法

同步方法：在方法声明上加上synchronized

public synchronized void method(){
       可能会产生线程安全问题的代码
}

同步方法中的锁对象是 this

使用同步方法，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

package thread;

//测试类
public class ThreadDemo05 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建票对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建3个窗口
        Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
//模拟票
 class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //同步方法
            method();
        }
    }
//同步方法,锁对象this
    public synchronized void method(){
        if (ticket > 0) {
            //模拟选坐的操作
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
        }
    }
}

静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized

public static synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
}

静态同步方法中的锁对象是 类名.class

 

乐观锁/悲观锁

悲观锁：假定会发生并发冲突，屏蔽一切可能违反数据完整性的操作。[1]
乐观锁：假设不会发生并发冲突，只在提交操作时检查是否违反数据完整性。[1] 乐观锁不能解决脏读的问题

从上面的描述我们可以看出，悲观锁适合写操作非常多的场景，乐观锁适合读操作非常多的场景，不加锁会带来大量的性能提升。
1.悲观锁在Java中的使用，就是利用各种锁。
2.乐观锁在Java中的使用，是无锁编程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新。

死锁

同步锁使用的弊端：当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时，如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象：程序出现无限等待，这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){
    synchronized(B锁){
    }
}

我们进行下死锁情况的代码演示：

package thread;

import java.util.Random;

//定义锁对象类
 class MyLock {
    public static final Object lockA = new Object();
    public static final Object lockB = new Object();
}
//线程任务类
 class ThreadTask implements Runnable {
    int x = new Random().nextInt(1);//0,1
    //指定线程要执行的任务代码
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            if (x%2 ==0) {
                //情况一
                synchronized (MyLock.lockA) {
                    System.out.println("if-LockA");
                    synchronized (MyLock.lockB) {
                        System.out.println("if-LockB");
                        System.out.println("if大口吃肉");
                    }
                }
            } else {
                //情况二
                synchronized (MyLock.lockB) {
                    System.out.println("else-LockB");
                    synchronized (MyLock.lockA) {
                        System.out.println("else-LockA");
                        System.out.println("else大口吃肉");
                    }
                }
            }
            x++;
        }
    }
}

//测试类
public class ThreadDemo06 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务类对象
        ThreadTask task = new ThreadTask();
        //创建两个线程
        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);
        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

Lock接口

查阅API，查阅Lock接口描述，Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。

Lock接口中的常用方法

Lock提供了一个更加面对对象的锁，在该锁中提供了更多的操作锁的功能。

我们使用Lock接口，以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

 class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
//创建Lock锁对象
    Lock ck = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
//模拟卖票
        while (true) {
//synchronized (lock){
            ck.lock();
            if (ticket > 0) {
//模拟选坐的操作
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
            }
            ck.unlock();
//}
        }
    }
}

等待唤醒机制

在开始讲解等待唤醒机制之前，有必要搞清一个概念——线程之间的通信：多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

等待唤醒机制所涉及到的方法：

• wait（） :等待，将正在执行的线程释放其执行资格 和 执行权，并存储到线程池中。
• notify（）：唤醒，唤醒线程池中被wait（）的线程，一次唤醒一个，而且是任意的。
• notifyAll（）： 唤醒全部：可以将线程池中的所有wait() 线程都唤醒。

其实，所谓唤醒的意思就是让 线程池中的线程具备执行资格。必须注意的是，这些方法都是在 同步中才有效。同时这些方法在使用时必须标明所属锁，这样才可以明确出这些方法操作的到底是哪个锁上的线程。

仔细查看JavaAPI之后，发现这些方法 并不定义在 Thread中，也没定义在Runnable接口中，却被定义在了Object类中，为什么这些操作线程的方法定义在Object类中？

因为这些方法在使用时，必须要标明所属的锁，而锁又可以是任意对象。能被任意对象调用的方法一定定义在Object类中。

 

接下里，我们先从一个简单的示例入手:

 

如上图说示，输入线程向Resource中输入name ,sex , 输出线程从资源中输出，先要完成的任务是：

• 1.当input发现Resource中没有数据时，开始输入，输入完成后，叫output来输出。如果发现有数据，就wait();
• 2.当output发现Resource中没有数据时，就wait() ；当发现有数据时，就输出，然后，叫醒input来输入数据。

 下面代码，模拟等待唤醒机制的实现：

package thread;

//模拟资源类
class Resource {
    private String name;
    private String sex;
    private boolean flag = false;

    public synchronized void set(String name, String sex) {
        if (flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
// 设置成员变量
        this.name = name;
        this.sex = sex;
// 设置之后，Resource中有值，将标记该为 true ,
        flag = true;
// 唤醒output
        this.notify();
    }

    public synchronized void out() {
        if (!flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
// 输出线程将数据输出
        System.out.println("姓名: " + name + "，性别: " + sex);
// 改变标记，以便输入线程输入数据
        flag = false;
// 唤醒input，进行数据输入
        this.notify();
    }
}


//输入线程任务类
class Input implements Runnable {
    private Resource r;

    public Input(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        while (true) {
            if (count == 0) {
                r.set("小明", "男生");
            } else {
                r.set("小花", "女生");
            }
// 在两个数据之间进行切换
            count = (count + 1) % 2;
        }
    }
}


//输出线程任务类
class Output implements Runnable {
    private Resource r;

    public Output(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            r.out();
        }
    }
}

//测试类
public class ThreadDemo07 {
    public static void main(String[] args) {
// 资源对象
        Resource r = new Resource();
// 任务对象
        Input in = new Input(r);
        Output out = new Output(r);
// 线程对象
        Thread t1 = new Thread(in);
        Thread t2 = new Thread(out);
// 开启线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}