[Java知识库]Java多线程(三)

线程同步机制

并发：同一个对象被多个线程同时操作

处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象。这时我们就需要线程同步，线程同步其实是一种机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面线程使用完毕，下一个线程再使用

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线程同步形成的条件：队列和锁

由于同一进程的多个线程共享同一块从存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突的问题，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，在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，但存在以下问题：

• 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线程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

并发问题：不安全的银行

//不安全的银行
//两个人去银行取钱，账户
public class UnsafeBank {
    public static void main(String[] args) {
        //账户
        Account account = new Account(100,"结婚基金");

        //
        Drawing you = new Drawing(account,50,"你");
        Drawing girlFriend = new Drawing(account,100,"女朋友");

        you.start();
        girlFriend.start();
    }
}

//账户
class Account{
    int money;//余额
    String name;//卡名
    public Account(int money, String name) {
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}

//银行:模拟取款
class Drawing extends Thread{
    Account account;//账户
    int drawingMoney;//取了多少钱
    int nowMoney;//现在手里有多少钱

    public Drawing(Account account,int drawingMoney,String name){
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;
    }

    //取钱
    @Override
    public void run() {
        //判断有没有钱
        if (account.money-drawingMoney<0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"钱不够，取不了");
            return;
        }

        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        //卡内余额=余额-你取的钱
        account.money = account.money-drawingMoney;
        //你手里的钱
        nowMoney = nowMoney + drawingMoney;

        System.out.println(account.name+"余额为："+account.money);
        //Thread.currentThread().getName()=this.getName()
        System.out.println(this.getName()+"手里的钱"+nowMoney);
    }
}

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同步方法及同步块

• 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sunchronized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，方法一石知行，就独占该锁，知道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

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synchronized默认锁this，是这个类本身，所以如果要对Account上锁则需要使用同步块:

• 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，是对象本身，或者是class
• 同步监视器执行过程

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

 //取钱
    @Override
    public void run() {

        //锁的对象就是变化的量，需要增删改的对象
        synchronized (account){//把这个账户给锁了
            //判断有没有钱
            if (account.money-drawingMoney<0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"钱不够，取不了");
                return;
            }

            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            //卡内余额=余额-你取的钱
            account.money = account.money-drawingMoney;
            //你手里的钱
            nowMoney = nowMoney + drawingMoney;

            System.out.println(account.name+"余额为："+account.money);
            //Thread.currentThread().getName()=this.getName()
            System.out.println(this.getName()+"手里的钱"+nowMoney);
        }
    }

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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，都停止执行的情况。某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能发生“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，对以获得的资源保持不放。
3.不剥夺条件：进程已获得的资源，在位置用完之前，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

//死锁：多个线程互相拥有对方需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        Makeup g1 = new Makeup(0, "灰姑娘");
        Makeup g2 = new Makeup(1, "白雪公主");
        g1.start();
        g2.start();
    }
}

//口红
class LipStick {
}

//镜子
class Mirror {
}
//化妆的人
class Makeup extends Thread {
    //需要的资源只有一份，用static保证只有一份
    static LipStick lipStick = new LipStick();
    static Mirror mirror = new Mirror();
    int choice;//选择
    String girlName;//使用化妆品的人
    public Makeup(int choice, String girlName) {
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            makeup();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    //互相持有对方的锁，需要拿到对方的资源
    private void makeup() throws InterruptedException {
        if (choice == 0) {
            synchronized (lipStick) {//获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
                Thread.sleep(1000);
                synchronized (mirror) {//一秒后想获得镜子
                    System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                }
            }
        } else {
            synchronized (mirror) {//获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                Thread.sleep(2000);
                synchronized (lipStick) {//一秒后想获得镜子
                    System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
                }
            }
        }
    }
}

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Lock锁

• 从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显示顶底同步锁对象来实现同步。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，县城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，可以显示加锁，释放锁

//增加luok锁 线程就会排队去取票
public class TestLock {
    public static void main(String[] args) {
        TestLock2 t1 = new TestLock2();

        new Thread(t1).start();//三个线程同时操作一个对象
        new Thread(t1).start();
        new Thread(t1).start();
    }
}

//测试Lock锁
class TestLock2 implements Runnable{
    int ticketNume = 10;

    //定义Lock锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();//加锁，加完锁后面还需要解锁

            while (true){
                if (ticketNume>0){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(ticketNume--);
                }else {
                    break;
                }
            }
        } finally {
            //解锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

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synchronized与Lock的对比

synchronized与Lock的对比
Lock是显示锁(手动开启和关闭锁，不能忘记关闭锁)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)

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线程协作（生产者消费模式）

• 应用场景：生产者和消费者问题
  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，知道仓库中的产品被消费者取走为止
  如果仓库中方有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，知道仓库中再次放入产品为止

这是一个线程同步问题，生产参这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

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，它们之间有个“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

//测试：生产者消费者模型-->利用缓冲区解决：管程法
//生产者，消费者，产品，缓冲区
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer synContainer = new SynContainer();
        new Producer(synContainer).start();
        new Consumer(synContainer).start();
    }
}
//生产者
class Producer extends Thread {
    SynContainer container;
    public Producer(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }
    //生产
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("生产了第" + i + "只鸡");
            container.push(new Chicken(i));
        }
    }
}
//消费者
class Consumer extends Thread {
    SynContainer container;
    public Consumer(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }
    //消费
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("消费了第" + container.pop().id + "只鸡");
        }
    }
}
class Chicken {
    int id;
    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}
//缓冲区
class SynContainer {
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];//容器大小
    int count = 0;//容器计数器
    //生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken) {
        //如果容器满了，等待消费者消费
        while (count >= chickens.length) {
            //通知消费者消费，生产等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //如果容器没满，需要丢入产品
        chickens[count] = chicken;
        count++;
        //可以通知消费者消费了
        this.notifyAll();
    }
    //消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop() {
        //判断能否消费
        while (count == 0) {
            //等待生产者生产，消费者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //如果可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];
        //吃完了，通知消费者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}

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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(重复利用线程池中的资源，不需要每次都构建)
  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

• 使用线程池：
  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(Tunnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
  Futuresubmit(Callabletask)：执行任务，有返回值，一般用来执行Callable
  void shutdown()：关闭线程池
  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

//测试线程池
public class TestPool {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建服务，创建线程池  参数为：线程池的大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

        //2.执行
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        //3.关闭连接
        service.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

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总结：

回顾总结线程的创建：

//回顾总结线程的创建
public class ThreadNew {
    public static void main(String[] args) {
        new MyThread1().start();//1.继承Thread类启动方式

        new Thread(new MyThread2()).start();//2.实现Runnable接口启动方式

        FutureTask<Integer> integerFutureTask = new FutureTask<Integer>(new MyThread3());
        new Thread(integerFutureTask).start();//3.实现Callable启动方式

        try {
            Integer integer = integerFutureTask.get();
            System.out.println(integer);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

//1.继承Thread类
class MyThread1 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread1");
    }
}

//2.实现Runnable接口
class MyThread2  implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread2");
    }
}

//3.实现Callable
class  MyThread3  implements Callable<Integer>{
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("MyThread3");
        return 100;
    }
}