10.多线程详解

多线程详解

Java Thread

01 线程简介

​ 任务，进程，线程，多进程

多任务.多线程

• 多任务

  • 现实中太多这样同时做多件事情的例子了，看起来是多个任务都在做，
    其实本质上我们的大脑在同一时间依旧只做了一件事情。

• 多线程

  • 原来是一条路，慢慢因为车太多了，道路堵塞，效率极低。
    为了提高使用的效率，能够充分利用道路，于是加了多个车道。
    从此，妈妈再也不用担心道路堵塞了。

• 普通方法调用和多线程

• 程序.进程.线程

  • 在操作系统中运行的程序就是进程，比如你的QQ，播放器，游戏等等。

进程与线程

• 说起进程，就不得不说下程序。程序是指令和数据的有序集合，
  其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。
• 进程Process则是执行程序的一次执行过程，它是一个动态的概念。
  它是系统资源分配的单位
• 通常在一个进程中可以包含若干个线程Thread，
  当然一个进程中至少有一个线程，
  不然没有存在的意义。线程是CPU调度和执行的的单位。
• 注意:
  很多多线程是模拟出来的，真正的多线程是指有多个CPU，即多核，
  如服务器。如果是模拟出来的多线程，即在一个CPU的情况下，
  在同一个时间点，CPU只能执行一个代码，因为切换的很快，
  所以就有同时执行的错局。

本章核心概念

• 线程就是独立的执行路径;
• 在程序运行时，即使没有自己创建线程，后台也会有多个线程，
  如主线程，gc线程;
• main()称之为主线程，为系统的入口，用于执行整个程序;
• 在一个进程中，如果开辟了多个线程，线程的运行由调度器安排调度，
  调度器是与操作系统紧密相关的，先后顺序是不能认为的干预的。
• 对同一份资源操作时，会存在资源抢夺的问题，需要加入并发控制;
• 线程会带来额外的开销，如cpu调度时间，并发控制开销。
• 每个线程在自己的工作内存交互，内存控制不当会造成数据不一致

02 线程创建

​ Thread、Runnable、Callable

三种创建方式

继承Thread

• 学习提示：查看 JDK 帮助文档

• 自定义线程类继承Thread类

• 重写run()方法，编写线程执行体

• 创建线程对象，调用start()方法启动线程

• 线程不一定立即执行，CPU安排调度

  public static void main(String[] args){
      //创建线程对象
      StartThread1 t = new StartThread1();
      t.start();
  } 
   
  public class StartThread1 extends Thread{
          //线程入口点
          @Override
          public void run(){
              //线程体
              for(i = 1; i <20; i++){
                  System.out.println("我在上课====")
              }
          }
  }
  

案例:下载图片

• 第一步

  //文件下载工具类
  class WebDownloader
      //远程路径，存储名字
      public void downloader(String url,String name){
      //Commons IO是针对开发Io流功能的工具类库
      //FileUtils文件工具,复制url到文件
      tyr {
          FileUtils.copyURLToFile(new URL(url), new File(name));
      }catch(IOException e){
          e.printStackTrace();
          System.out.println("文件下载失败");
  }
  
  

• 第二步

      @Override
      public void run() {
          super.run();
          WebDownloader webDownloader = new WebDownloader();
          webDownloader.download(url,name);
          System.out.println("下载好的文件名为："+name);
      }
  
  

• 第三步

      public static void main(String[] args) {
          StartThread T1 = new StartThread("","T1");
          StartThread T2 = new StartThread("","T2");
          StartThread T3 = new StartThread("","T3");
      }
          //启动三个线程
          T1.start();
          T2.start();
          T3.start();
  
  

实现Runnable

• 学习提示：查看 JDK 帮助文档

• 定义MyRunnable类实现Runnable接口

• 实现run()方法，编写线程执行体

• 创建线程对象，调用start()方法启动线程

• 推荐使用Runnable对象，因为Java单继承的局限性

  public class startThread3 implements Runnable{
      @override
      public void run ( ) {
          //线程体
          for (int i = 0; i < 20; i++){
              system.out.println("我在听课====");
          }
      }
  }
      //创建实现类对象
      startThread3 st = new startThread3 ();
      //创建代理类对象
      Thread thread = new Thread(st) ;
      //启动
      thread.start();
  

案例:龟兔赛跑

1. 首先来个赛道距离，然后要离终点越来越近
2. 判断比赛是否结束
3. 打印出胜利者
4. 龟兔赛跑开始
5. 故事中是乌龟赢的，模拟兔子睡觉
6. 最终乌龟赢得比赛案例

篇末小结

• 继承Thread类

  • 子类继承Thread类具备多线程能力
  • 启动线程:子类对象. start()
  • 不建议使用:避免OOP单继承局限性

• 实现Runnable接口

  • 实现接口Runnable具有多线程能力

  • 启动线程:传入目标对象+Thread对象.start()

  • 推荐使用:避免单继承局限性，灵活方便，方便同一个对象被多个线程使用

        //一份资源
        startThread4 station = new startThread4();
    
        //多个代理
        new Thread(station,name: "小明).start();
        new Thread (station,name:"老师.start();
        new Thread (station,name:"小红").start();
    

实现Callable

1. 实现Callable接口，需要返回值类型
2. 重写call方法，需要抛出异常
3. 创建目标对象
4. 创建执行服务：ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1);
5. 提交执行：Future result1 = ser.submit(t1);
6. 获取结果：boolean r1 = result1.get()
7. 关闭服务：ser.shutdownNow();

Lambda表达式

• 入希腊字母表中排序第十一位的字母，Lambda

• 避免匿名内部类定义过多

• 其实质属于函数式编程的概念

  • (params) ->expression [表达式]
  • (params) -> statement [语句]
  • (params) ->

  a->System.out.println("I like lamda -->"+a);
  
  new Thread (()->System.out.println("多线程学习")).start();
  

• 理解Functional Interface(函数式接口)是学习Java8 lambda表达式的关键所在。

• 函数式接口的定义:

  • 任何接口，如果只包含唯一一个抽象方法，那么它就是一个函数式接口。

    public interface Runnable{
        public abstract void run();
    }
    

  • 对于函数式接口，我们可以通过lambda表达式来创建该接口的对象。

静态代理

• 真实对象和代理对象都要交现同一个接口
• 代理对象要代理真实角色
• 代理对象可以做很多真实对象做不了的事情
• 真实对象专注做自已的事情

03 线程状态

线程方法

方法	说明
setPriority (int newPriority)	更改线程的优先级
static void sleep (long millis)	在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
viod join()	等待该线程终止
static void yield()	暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程
void interrupt()	中断线程，别用这个方式
boolean isAlive()	测试线程是否处于活动状态

停止线程

• 不推荐使用JDK提供的stop()、destroy()方法。【已废弃】

• 推荐线程自己停止下来

• 建议使用一个标志位进行终止变量

• 当flag=false，则终止线程运行。

  public class Teststop implements Runnable {
      //1.线程中定义线程体使用的标识
      private boolean flag = true;
      @override
      //2 .线程体使用该标识
      public void run () {
          while (flag) {
          system.out.println ( "run. . . Thread" ) ;
      }
  }
      //3.对外提供方法改变标识
      public void stop() {
          this.flag = false;
      }
  }
  

线程休眠

• sleep(时间)指定当前线程阻塞的毫秒数;
• sleep存在异常InterruptedException;
• sleep时间达到后线程进入就绪状态;
• sleep可以模拟网络延时，倒计时等。
• 每一个对象都有一个锁,sleep不会释放锁;

//实时获取车位信息
public void GetOnlineInfo(){
    HttpBrowserCapabilities bc = Request.Browser ;
    int hbcwidth = bc.ScreenPixe1sidth;
    // string hbcHeight = bc.ScreenPixelsHeight. ToString(O);
    //项目经理要求这里运行缓慢,好让客户给钱优化，并得到明显的速度提升
    Thread.Sleep(2000);

线程礼让

• 礼让线程，让当前正在执行的线程暂停，但不阻塞
• 将线程从运行状态转为就绪状态
• 让cpu重新调度，礼让不一定成功!(看CPU心情)

线程插入

• Join合并线程，待此线程执行完成后，再执行其他线程，其他线程阻塞

  public class TestJoin impplements Runnable {
      public static void main (string[] args) throws InterruotException{
          TestJoin testJoin = new TestJoin();
      	Thread thread = new Thread(testJoin) ;
          thread.start();
          
          for (int i = 0; i < 100; i++){
              if(i==50){
                  thread.join() ; l /main线程阻塞
              }
              system.out.println ( "main. . ."+i);
          }
      }
      
      @override
      public void run () {
          for (int i = 0; i < 1000; i++){
              system.out.println("join. . ."+i);
          }
      }
  }
  

线程状态观测

• Thread.State
  线程状态。线程可以处于以下状态之一:

  • NEW
    尚未启动的线程处于此状态。

  • RUNNABLEL
    在Java虚拟机中执行的线程处于此状态。

  • BLOCKED
    被阻塞等待监视器锁定的线程处于此状态。

  • WAITING
    正在等待另一个线程执行特定动作的线程处于此状态。

  • TIMED WAITING
    正在等待另一个线程执行动作达到指定等待时间的线程处于此状态。

  • TERMINATED
    已退出的线程处于此状态。

• 一个线程可以在给定时间点处于一个状态。

• 这些状态是不反映任何操作系统线程状态的虚拟机状态。

线程优先级

• Java提供一个线程调度器来监控程序中，启动后进入就绪状态的所有线程，
  线程调度器按照优先级决定应该调度哪个线程来执行。

• 线程的优先级用数字表示，范围从1~10.

  • Thread.MIN_PRIORITY = 1;
  • Thread.MAX_PRIORITY = 10;
  • Thread.NORM_PRIORITY = 5;

• 使用以下方式改变或获取优先级

  • getPriority() . setPriority(int xxx)

• 优先级低只是意味着获得调度的概率低
  并不是优先级低就不会被调用了(CPU的调度）

• 优先级的设定建议在start()调度前

守护线程

• 线程分为用户线程和守护线程
• 虚拟机必须确保用户线程执行完毕
• 虚拟机不用等待守护线程执行完毕
• 如,后台记录操作日志,监控内存,垃圾回收等待..

04 线程同步

​ 多个线程操作同一个资源

同步方法

• 并发:同一个对象被多个线程同时操作

• 由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时,
  也带来了访问冲突问题﹐为了保证数据在方法中被访问时的正确性,
  在访问时加入锁机制synchronized ,当一个线程获得对象的排它锁,
  独占资源﹐其他线程必须等待，使用后释放锁即可.存在以下问题:

  • 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起;
  • 在多线程竞争下,加锁,释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时,
    引起性能问题;
  • 如果一个优先级高的等待一个优先级低的线程释放锁,会导致优先级倒置,
    引起性能问题．

• 由于我们可以通过private 关键字来保证数据对象只能被方法访问,
  所以我们只需要针对方法提出一套机制,这套机制就是synchronized关键字,
  它包括两种用法︰synchronized方法和synchronized块.

  • 同步方法:public synchronized void method(int args){}

• synchronized方法控制对“对象”的访问，每个对象对应一把锁,
  每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行,
  否则线程会阻塞，方法一旦执行﹐就独占该锁，直到该方法返回才释放锁,
  后面被阻塞的线程才能获得这个锁,继续执行

  • 缺陷:若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率

同步方法弊端

同步块

• 同步块: synchronized (Obj ){}
• Obj称之为同步监视器
  • Obj可以是任何对象﹐但是推荐使用共享资源作为同步监视器
  • 同步方法中无需指定同步监视器,因为同步方法的同步监视器就是this,
    就是这个对象本身﹐或者是class [反射中讲解]
• 同步监视器的执行过程
  1. 第一个线程访问,锁定同步监视器,执行其中代码.
  2. 第二个线程访问,发现同步监视器被锁定,无法访问.
  3. 第一个线程访问完毕,解锁同步监视器.
  4. 第二个线程访问,发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问.

死锁

• 多个线程各自占有一些共享资源,并且互相等待其他线程占有的资源才能运行,
  而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源,都停止执行的情形.
  某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时,就可能会发生“死锁”的问题.

• 产生死锁的四个必要条件:

  1. 互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用。

  2. 请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时，
     对已获得的资源保持不放。

  3. 不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。

  4. 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

• 上面列出了死锁的四个必要条件，我们只要想办法破其中的任意一个,
  或多个条件就可以避免死锁发生

Lock(锁)

• 从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——
  通过显式定义同步锁又象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当

• java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源，
  进行访问的工具锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个
  线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象

• ReentrantLock类实现了Lock，它拥有与synchronized
  相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，
  比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。

  class A{
      private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
      public void m(){
          lock.lock();
          try{
              //保证线程安全的代码;
              
          }
          finally{
              lock.unlock();
              //如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块}
          }
      }
  }
  

同步与死锁

synchronized 与Lock的对比

• Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁) synchronized是隐式锁，
  出了作用域自动释放
• Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁
• 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。
  并且具有更好的扩展性(提供更多的子类)
• 优先使用顺序:
  • Lock > 同步代码块(已经进入了方法体，分配了相应资源) >
    同步方法（在方法体之外)

05 线程协作

​ 生产者消费者模式

线程通信

• 应用场景：生产着和消费者问题

  • 假设仓库中只能存放一件产品,生产者将生产出来的产品放入仓库，
    消费者将仓库中产品取走消费.

  • 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，
    否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止.

  • 如果仓库中放有产品﹐则消费者可以将产品取走消费﹐
    否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止.

• java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

  方法名	作用
  wait ()	表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，会释放锁
  wait (long timeout)	指定等待的毫秒数
  notify ()	唤醒一个处于等待状态的线程
  nofityAll ()	唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程,优先级别高的线程优先调度

• 注意:
  均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用,
  否则会抛出异常lllegalMonitorStateException

问题分析

这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源，
并且生产者和消费者之间相互依赖,互为条件．

• 对于生产者,没有生产产品之前，要通知消费者等待，
  而生产了产品之后﹐又需要马上通知消费者消费
• 对于消费者﹐在消费之后，要通知生产者已经结束消费﹐
  需要生产新的产品以供消费.
• 在生产者消费者问题中,仅有synchronized是不够的
  • synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步
  • synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)

管程法

• 并发协作模型“生产者/消费者模式”--->管程法
  • 生产者:负责生产数据的模块(可能是方法﹐对象,线程﹐进程);
  • 消费者∶负责处理数据的模块(可能是方法，对象﹐线程,进程);
  • 缓冲区:消费者不能直接使用生产者的数据﹐他们之间有个“缓冲区
  • 生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

信号灯法

• 并发协作模型“生产者/消费者模式”--->信号灯法

线程池

• 背景:经常创建和销毁,使用量特别大的资源,比如并发情况下的线程,对性能影响很大。

• 思路:提前创建好多个线程,放入线程池中,使用时直接获取,
  使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。
  类似生活中的公共交通工具。

• 好处:

  • 提高响应速度（减少了创建新线程的时间)
  • 降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建)
  • 便于线程管理(.…..)
    • corePoolSize：核心池的大小
    • maximumPoolSize：最大线程数
    • keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

• JDK 5.0起提供了线程池相关API: ExecutorService和Executors

• ExecutorService:真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor

  • void execute(Runnable command)︰执行任务/命令，
    没有返回值，一般用来执行Runnable
  • Future submit(Callable task):执行任务，
    有返回值，一般又来执行Callable
  • void shutdown()∶关闭连接池

• Executors:工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池