Java深入学习（1）：多线程
多线程目的：在同一时刻有多条不同路径执行程序，提高程序运行效率
多线程应用：数据库连接池，多线程文件下载等
注意：在文件下载中使用多线程，无法提高速度
在一个进程中，一定会有主线程
从基础开始，多线程的使用方式：
1.继承Thread类：（不推荐）
public class ThreadDemo extends Thread { @Override public void run() { //写入线程执行的代码 } public static void main(String[] args) { ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo(); threadDemo.start(); } }
注意：threadDemo调用的是start方法；如果调用了run方法，本质上还是单线程
2.实现Runnable接口：
public class ThreadDemo implements Runnable { @Override public void run() { //写入线程执行的代码 System.out.println("demo"); } public static void main(String[] args) { ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo(); new Thread(threadDemo).start(); } }
3.匿名内部类
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { new Thread() { @Override public void run() { //写入线程执行的代码 } }.start(); } }
Java8可以简写为这样
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { new Thread(() -> { //写入线程执行的代码 }).start(); } }
多线程的状态：
1.新建状态：调用start方法之前
2.就绪状态：调用start方法，等待CPU分配执行权
3.运行状态：执行run方法中的代码
4.死亡状态：run方法执行完毕
5.阻塞状态：调用wait或sleep方法，线程变为阻塞状态，阻塞状态可以直接变成就绪状态
守护线程：
在Java程序中，有主线程和GC线程（用于回收垃圾），主线程死亡后，GC线程也会死亡，同时销毁
这种和主线程一起销毁的线程就是守护线程
非守护线程：线程的状态和主线程无关
用户线程：以上的三种方式创建的都是用户现场，由主线程创建，也是非守护线程
示例：
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 30; i++) { try { Thread.sleep(300); System.out.println("子线程i:" + i); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }).start(); for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println("主线程i:" + i); } System.out.println("主线程执行完毕"); } }
观察输出发现：打印主线程执行完毕之后，还在继续打印子线程执行信息
只需要对子线程进行设置，即可变成守护线程：
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { Thread thread = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 1000; i++) { System.out.println("子线程i:" + i); } }); thread.setDaemon(true); thread.start(); for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("主线程i:" + i); } System.out.println("主线程执行完毕"); } }
观察输出发现：子线程还未打印到999，程序已经结束
join方法：
A线程调用了B线程的join方法，那么A等待B执行完毕之后再执行（A释放CPU执行权）
示例：主线程让子线程执行完毕再执行
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread thread = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 60; i++) { System.out.println("子线程i:" + i); } }); thread.start(); thread.join(); for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("主线程i:" + i); } System.out.println("主线程执行完毕"); } }
观察输出发现：子线程打印完59，才开始主线程的打印
线程安全问题：
当多个线程共享同一个全局变量，做写的操作时候，会发生线程安全问题
模拟线程安全问题：车站卖票经典案例
public class ThreadDemo implements Runnable { //一共有一百张票 private int count = 100; @Override public void run() { while (count > 0) { try { Thread.sleep(100); sale(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } private void sale() { if (count > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "出售第" + (100 - count + 1) + "张票"); count--; } } public static void main(String[] args) { ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo(); Thread t1 = new Thread(threadDemo, "窗口1"); Thread t2 = new Thread(threadDemo, "窗口2"); t1.start(); t2.start(); } }
观察输出发现：很多票重复出售
线程安全问题解决：
1.在sale方法上使用synchronized关键字
原理：当线程进入该方法时候会自动获取锁，一旦某线程获取了锁，其他线程就会等待，等到执行完毕该线程代码，释放锁
缺点：降低程序效率，每次执行该方法都需要进行判断
private synchronized void sale() { if (count > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "出售第" + (100 - count + 1) + "张票"); count--; } }
2.使用同步代码块
public class ThreadDemo implements Runnable { //一共有一百张票 private int count = 100; private final Object object = new Object(); @Override public void run() { while (count > 0) { try { Thread.sleep(100); sale(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } private void sale() { synchronized (object) { if (count > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "出售第" + (100 - count + 1) + "张票"); count--; } } } public static void main(String[] args) { ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo(); Thread t1 = new Thread(threadDemo, "窗口1"); Thread t2 = new Thread(threadDemo, "窗口2"); t1.start(); t2.start(); } }
观察输出：问题解决
注意：如果写成这样还是存在问题
public static void main(String[] args) { ThreadDemo threadDemo1 = new ThreadDemo(); ThreadDemo threadDemo2 = new ThreadDemo(); Thread t1 = new Thread(threadDemo1, "窗口1"); Thread t2 = new Thread(threadDemo2, "窗口2"); t1.start(); t2.start(); }
这时候需要给全局变量加上static关键字：共享同一个锁
private static int count = 100; private static final Object object = new Object();
观察输出：问题解决
多线程死锁问题：
产生场景：初学者喜欢每个地方都加入synchronized，于是synchronized中嵌套synchronized，容易产生死锁
产生原因：A线程拿到了锁2，现在需要拿锁1；B线程拿了锁1，现在需要拿锁2；A线程拿不到锁1就不会释放锁2；B线程拿不到锁2就不会释放锁1
ThreadLocal类：
什么是ThreadLocal：给每一个线程提供局部变量
原理：底层是一个Map集合，获取当前线程，然后调用Map的put和get方法实现
初始化：
public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);
获取：
threadLocal.get();
设置：
threadLocal.set(count);
多线程特性：
1.原子性
2.可见性
3.有序性
Java内存模型（JMM）：
JMM决定一个线程对共享变量的写入时，能够另一个线程是否可见
主内存：共享存储的变量
本地内存：共享变量的副本
线程安全问题根本原理：共享变量存放于主内存中，每一个线程都有本地内存。比如我在主内存中存入count=100，那么两个本地内存都存放了count=100副本。这时候两个线程同时操作共享变量count-1，首先两个线程要现在本地内存进行count-1操作，然后刷新到主内存。于是，出现了线程安全问题！
Volatile关键字：
一个示例：
class ThreadTest extends Thread { public boolean flag = true; @Override public void run() { System.out.println("线程开始"); while (flag) { } System.out.println("线程结束"); } public void setRunning(boolean flag) { this.flag = flag; } } public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ThreadTest threadTest = new ThreadTest(); threadTest.start(); Thread.sleep(3000); threadTest.setRunning(false); System.out.println("flag改为false"); Thread.sleep(3000); System.out.println("flag:" + threadTest.flag); } }
打印如下：
线程开始 flag改为false flag:false
然后程序卡死
为什么已经把flag改为false，子线程还是走入了while循环
因为：主线程把flag改了，还没有刷入主内存，子线程一直在读本地内存中的变量
解决：只需要加入volatile关键字
作用：将修改的值立即更新到主内存，保证其他线程对该变量的可见
public volatile boolean flag = true;
打印如下：
线程开始 flag改为false 线程结束 flag:false
注意：volatile只能保证可见性，不能保证线程安全
使用场景：观察主流框架，可以发现只要是全局共享的变量，都加入了volatile关键字
Synchronized与Volatile关键字区别：
Volatile保证可见性，不能保证原子性，也就是不能保证线程安全，禁止重排序
Synchronized既可以保证原子性，也可以保证线程安全，不禁止重排序
重排序：
概念：CPU会对代码实现优化，不会对有依赖关系性做重排序
什么是依赖关系：
int a = 1; int b = 2; int c = a + b;
c依赖a，b。c和a，b都有关系。c一定在a，b之后执行，而a，b执行顺序不一定
所以在代码执行时候，可能先执行的是int b = 2而不是int a = 1
但是在这里执行的结果不会发生改变
注意：一般只会在多线程中遇到重排序问题
重排序问题的解决：加入volatile关键字
线程之间的通信：
多个线程在处理同一个资源，但是线程的任务却不相同，通过一定的手段使各个线程能有效地利用资源，
这种手段即：等待唤醒机制，又称作线程之间的通信
涉及到的方法：wait()，notify()
示例：
两个线程一个输入，一个输出
package demo; public class Resource { public String name; public String sex; }
输入线程：
package demo; public class Input implements Runnable { private Resource r = new Resource(); public void run() { int i = 0; while (true) { if (i % 2 == 0) { r.name = "张三"; r.sex = "男"; } else { r.name = "李四"; r.sex = "女"; } i++; } } }
输出线程：
package demo; public class Output implements Runnable { private Resource r = new Resource(); public void run(){ while (true) { System.out.println(r.name+"..."+r.sex); } } }
测试类：
package demo; public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { Input in = new Input(); Output out = new Output(); Thread tin = new Thread(in); Thread tout = new Thread(out); tin.start(); tout.start(); } }
运行后却发现输出的都是null...null
因为输入线程和输出线程中创建的Resource对象使不同的
解决null问题：
package demo; public class Input implements Runnable { private Resource r; public Input(Resource r){ this.r = r; } public void run() { int i = 0; while (true) { if (i % 2 == 0) { r.name = "张三"; r.sex = "男"; } else { r.name = "李四"; r.sex = "女"; } i++; } } }
package demo; public class Output implements Runnable { private Resource r; public Output(Resource r){ this.r = r; } public void run(){ while (true) { System.out.println(r.name+"..."+r.sex); } } }
package demo; public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { Resource r = new Resource(); Input in = new Input(r); Output out = new Output(r); Thread tin = new Thread(in); Thread tout = new Thread(out); tin.start(); tout.start(); } }
运行后又发现了另一个问题：
输出中含有：张三...女或者李四...男，性别出错
发生原因：
赋值完张三和男后，继续赋值李四和女，这时候还未还得及赋值女，就进入了输出线程，这时候就会输出李四...男
于是想到加上同步：
public void run() { int i = 0; while (true) { synchronized (this) { if (i % 2 == 0) { r.name = "张三"; r.sex = "男"; } else { r.name = "李四"; r.sex = "女"; } i++; } } }
public void run() { while (true) { synchronized (this) { System.out.println(r.name + "..." + r.sex); } } }
然而问题并没有解决：
原因：
这里的同步失去了作用，用到的不是一个锁
解决办法：
使用一个共同的锁即可
public void run() { int i = 0; while (true) { synchronized (r) { if (i % 2 == 0) { r.name = "张三"; r.sex = "男"; } else { r.name = "李四"; r.sex = "女"; } i++; } } }
public void run() { while (true) { synchronized (r) { System.out.println(r.name + "..." + r.sex); } } }
这时候就是正常的输出了
但是还是存在一个问题，我们希望的是张三和李四交错出现，一个张三一个李四，现在依然是随机出现的，大片的张三或李四
解决办法：
先让input线程赋值，然后让output线程输出，并且让输入线程等待，不允许再赋值李四，等待输出张三结束后，再允许李四赋值，依次下去
输入线程也需要同样的方式，输出完后要等待
这时候就需要用到等待唤醒机制：
输入：赋值后，执行方法wait()永远等待
输出：打印后，再输出等待之前，唤醒输入notify()，自己再wait()永远等待
输入：被唤醒后，重新赋值，必须notify()唤醒输出的线程，自己再wait()等待
依次循环下去
代码实现：
package demo; public class Resource { public String name; public String sex; public boolean flag = false; }
package demo; public class Input implements Runnable { private Resource r; public Input(Resource r) { this.r = r; } public void run() { int i = 0; while (true) { synchronized (r) { if (r.flag) { try { r.wait(); } catch (Exception e) { } } if (i % 2 == 0) { r.name = "张三"; r.sex = "男"; } else { r.name = "李四"; r.sex = "女"; } r.flag = true; r.notify(); } i++; } } }
package demo; public class Output implements Runnable { private Resource r; public Output(Resource r) { this.r = r; } public void run() { while (true) { synchronized (r) { if (!r.flag) { try { r.wait(); } catch (Exception e) { } } System.out.println(r.name + "..." + r.sex); r.flag = false; r.notify(); } } } }
package demo; public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { Resource r = new Resource(); Input in = new Input(r); Output out = new Output(r); Thread tin = new Thread(in); Thread tout = new Thread(out); tin.start(); tout.start(); } }
这时候就是张三李四交错输出了
完成
