[Java知识库] Java多线程

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[Java知识库]Java多线程

多线程

并发与并行

并发：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。
并行：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。

在操作系统中，安装了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行，这在单 CPU系统中，每一时刻只能有一道程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分时交替运行的时间是非常短的。
而在多个 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上（CPU），实现多任务并行执行，即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核CPU，便是多核处理器，核越多，并行处理的程序越多，能大大的提高电脑运行的效率。

线程与进程

进程：是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有一个独立的内存空间，一个应用程序可以同时运行多个进程；进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。
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

我们可以再电脑底部任务栏，右键----->打开任务管理器,可以查看当前任务的进程：
在这里插入图片描述

线程调度:

分时调度： 所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间。
抢占式调度： 优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。

创建线程类

java所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例，Java中通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下：

定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务,因此把 run()方法称为线程执行体。
创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
调用线程对象的start()方法来启动该线程

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);
        }
    }
}

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
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0;i<100;i++)
        System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
    }
}

线程

Thread类

构造方法：

public Thread() :分配一个新的线程对象。
public Thread(String name) :分配一个指定名字的新的线程对象。
public Thread(Runnable target) :分配一个带有指定目标新的线程对象。
public Thread(Runnable target,String name) :分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

常用的方法：

public String getName() :获取当前线程名称。
public void start() :导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。
public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。
public static void sleep(long millis) :使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。
public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。

Runnable接口创建线程

Runnable接口创建线程的步骤：

定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正的线程对象。
调用线程对象的start()方法来启动线程。

代码案例：

public class Demo2 {
    public static void main(String[] args) {

        //创建自定义类对象 线程任务对象
        MyRunnable mr = new MyRunnable();
        // 创建线程对象
        Thread t = new Thread(mr, "张三");
        t.start();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("李四 " + i);
        }
    }
}

class MyRunnable implements Runnable{
    @Override public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
        }
    }
}

通过实现Runnable接口，使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。

在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象，然后调用Thread 对象的start()方法来运行多线程代码。

实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是继承Thread类还是实现Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的，熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。

Thread和Runnable的区别

如果一个类继承Thread，则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话，则很容易的实现资源共享。

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
可以避免java中的单继承的局限性。
增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享，代码和线程独立。
线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类。

匿名内部类方式实现线程的创建

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。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：

public class Demo3 {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 200; i++) {
                    System.out.println("张三 " + i);
                }
            }
        }.start();
        
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 200; i++) {
                    System.out.println("李四 " + i);
                }
            }
        }.start();
    }
}

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。

案例：游乐园卖票
假设游乐园要卖1000张票，一共有3个卖票窗口（3个窗口一起卖1000张票），采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟。

public class Demo4 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个窗口对象 
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1"); 
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2"); 
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3"); 
        //同时卖票 
        t1.start(); 
        t2.start(); 
        t3.start();
    }
}

class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 1000;
    /** 执行卖票操作 */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口 永远开启
        while (true) {
            if (ticket > 0) {
                //有票 可以卖 使用sleep模拟一下出票时间
                try {Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto‐generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //获取当前线程对象的名字
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖:" + (ticket--));
            }
        }
    }
}

但是结果会出先重复的票和0与-1这样的错误票
在这里插入图片描述

这种问题，几个窗口(线程)票数不同步了，这种问题称为线程不安全。

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

当我们使用多个线程访问同一资源的时候，且多个线程中对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。
要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制 (synchronized)来解决。

卖票案例的线程同步简述：

窗口1线程进入操作的时候，窗口2和窗口3线程只能在外等着，窗口1操作结束，窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU 资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。

java完成线程同步的三种方式：

同步代码块
同步方法
锁机制

同步代码块

同步代码块： **synchronized **关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

格式:

synchronized( 同步锁 ) { 
	需要同步操作的代码 
}

同步锁：

同步锁: 对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.。

锁对象可以是任意类型。
多个线程对象要使用同一把锁。

同步代码块解决卖票案例:

public class Demo4 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个窗口对象
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        //同时卖票
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    /** 执行卖票操作 */

    Object obj=new Object();
    
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口 永远开启
        
        while (true) {
            synchronized (obj)
            {
                if (ticket > 0) {
                    //有票 可以卖 使用sleep模拟一下出票时间
                    try {Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto‐generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //获取当前线程对象的名字
                    String name = Thread.currentThread().getName();
                    System.out.println(name + "正在卖:" + (ticket--));
                }
            }
        }
    }
}

同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。

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

使用同步方法解决卖票案例：

public class Demo5 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个窗口对象
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        //同时卖票
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    /**
     * 执行卖票操作
     */

    Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true)
        {
            sellticket();
        }

    }

    public synchronized void sellticket() {

        synchronized (obj) {
            if (ticket > 0) {
                //有票 可以卖 使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto‐generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //获取当前线程对象的名字
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖:" + (ticket--));
            }
        }
    }
}

Lock锁

java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作, 同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

public void lock() : 加同步锁。
public void unlock() : 释放同步锁

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Demo6 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个窗口对象
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        //同时卖票
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    Lock lock=new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口 永远开启

        while (true) {
            lock.lock();
            if (ticket > 0) {
                //有票 可以卖 使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto‐generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //获取当前线程对象的名字
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖:" + (ticket--));
            }
            lock.unlock();
        }
    }
}

线程状态

当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中，有几种状态呢？在API中 java.lang.Thread.State 这个枚举中给出了六种线程状态：

线程状态	导致状态发生条件
NEW(新建)	线程刚被创建，但是并未启动。还没调用start方法
Runnable(可运行)	线程可以在java虚拟机中运行的状态，可能正在运行自己代码，也可能没有，这取决于操作系统处理器。
Blocked(锁阻塞)	当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。
Waiting(无限等待)	一个线程在等待另一个线程执行一个（唤醒）动作时，该线程进入Waiting状态。进入这个状态后是不能自动唤醒的，必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。
Timed Waiting(计时等待)	同waiting状态，有几个方法有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep 、 Object.wait。
Teminated(被终止)	因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。

等待唤醒机制

线程间通信

概念：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。

比如：线程A用来生成包子的，线程B用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。

为什么要处理线程间通信：
多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

如何保证线程间通信有效利用资源：
多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。就是多个线程在操作同一份数据时，避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要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

等待唤醒机制这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。就是在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()），等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒（notify()）;在有多个线程进行等待时，如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。

wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

等待唤醒中的方法：

. wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中
notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；例如，餐馆有空位置后，等候就餐最久的顾客最先入座。
notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

生产者与消费者问题

等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源：
包子铺线程生产包子，吃货线程消费包子。当包子没有时（包子状态为false），吃货线程等待，包子铺线程生产包子（即包子状态为true），并通知吃货线程（解除吃货的等待状态）,因为已经有包子了，那么包子铺线程进入等待状态。接下来，吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁，那么就执行吃包子动作，包子吃完（包子状态为false），并通知包子铺线程（解除包子铺的等待状态）,吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。

public class Demo7 {
    public static void main(String[] args) {
        baozi bz=new baozi();
        new baozipu(bz).start();
        new chihuo(bz).start();
    }
}

class baozi{
    String pi;
    String xian;
    boolean flag=false;
}

class baozipu extends Thread {

    private baozi bz;

    public baozipu(baozi bz) {
        this.bz=bz;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count=0;

        while (true){
            synchronized(bz)
            {
                if(bz.flag)
                {
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                }

                if(count%2==0){
                    //生产 大虾馅包子
                    bz.pi = "薄皮";
                    bz.xian = "大虾陷";
                }else{
                    //生产 冰皮 羊肉大葱陷
                    bz.pi = "冰皮";
                    bz.xian = "羊肉大葱陷";

                }
                count++;
                System.out.println("包子铺正在生产:"+bz.pi+bz.xian+"包子");

                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                bz.flag=true;
                System.out.println("包子铺已经生产好了:"+bz.pi+bz.xian+"包子,吃货可以开始吃了");
                bz.notify();
            }
        }
    }
}

class chihuo extends Thread{
    private baozi bz;

    public chihuo(baozi bz)
    {
        this.bz=bz;
    }

    @Override
    public void run() {

        while (true)
        {
            synchronized (bz){
                if (!bz.flag)
                {
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                }

                System.out.println("吃货正在吃:"+bz.pi+bz.xian+"的包子");
                //吃货吃完包子
                //修改包子的状态为false没有
                bz.flag = false;
                //吃货唤醒包子铺线程,生产包子
                bz.notify();
                System.out.println("吃货已经把:"+bz.pi+bz.xian+"的包子吃完了,包子铺开始生产包子");
                System.out.println("----------------------------------------------------");
            }

        }
    }
}

线程池

线程池的概念

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。

合理利用线程池能够带来三个好处：

降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务。
提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
提高线程的可管理性。可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，防止因为消耗过多的内存，而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存，线程开的越多，消耗的内存也就越大，最后死机)。

线程池的使用

Java里面线程池的顶级接口是 java.util.concurrent.Executor ，但是严格意义上讲 Executor 并不是一个线程池，而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是 java.util.concurrent.ExecutorService

要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在 java.util.concurrent.Executors 线程工厂类里面提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。官方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。

Executors类中有个创建线程池的方法如下：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) ：返回线程池对象。(创建的是有界线程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量)

获取到了一个线程池ExecutorService 对象，那么怎么使用呢，在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下：

public 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。(task)
提交Runnable接口子类对象。(take task)
关闭线程池(一般不做)。

案例：

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

public class Demo8 {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService es= Executors.newFixedThreadPool(3);
        MyRunable r=new MyRunable();
        es.submit(r);
        es.submit(r);
        es.submit(r);
        es.submit(r);

    }
}

class MyRunable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("我是一个厨师，我去做饭了");

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("厨师做好饭了："+Thread.currentThread().getName());


    }
}