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[Java知识库]Java基础多线程

本篇博文目录:

前言:

最近在回顾JavaSE部分的知识,对一些薄弱的知识进行记录,学习方式,通过视频和图书的进行学习,视频看B站韩顺平老师的【韩顺平讲Java】一天学会线程 Thread Synchronized 互斥锁 进程 并行 并发 死锁等,图书看Java核心技术 卷I 基础知识（原书第10版）。

【韩顺平讲Java】一天学会线程 Thread Synchronized 互斥锁 进程 并行 并发 死锁等:https://www.bilibili.com/video/BV1zB4y1A7rb?spm_id_from=333.999.0.0
在这里插入图片描述

一.线程相关概念

1.什么是程序(program)

是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。简单的说就是我们写的代码（数据结构+算法）。

备注:软件不等于程序,软件可以简单理解为由相关开发文档和程序组成

2.什么是进程

① 进程是指运行中的程序，比如我们使用QQ，就启动了一个进程，操作系统就会为该进程分配内存空间。当我们使用迅雷，又启动了一个进程，操作系统将为迅雷分配新的内存空间。
② 进程是程序的一次执行过程,或是正在运行的一个程序。是动态过程:有它自身的产生、存在和消亡的过程。
③ 进程是系统进?资源分配和调度的独?单位，每?个进程都有它??的内存空间和系统资源。

在这里插入图片描述

3.什么是线程

为了提?系统的执?效率，减少处理机的空转时间和调度切换的时间，以及便于系统管理，所以有了线程，线程取代了进程调度的基本功能(线程由进程创建,是进程的一个实体)。

4.单线程和多线程

单线程:

单线程:同一个时刻，只允许执行一个线程

多线程:

多线程:同一个时刻，可以执行多个线程，比如:一个qq进程，可以同时打开多个聊天窗口,一个迅雷进程,可以同时下载多个文件

5.并发和并行

并发:

并发:同一个时刻，多个任务交替执行，造成一种“貌似同时”的错觉，简单的说单核cpu实现的多任务就是并发。

在这里插入图片描述

并行:

并行:同一个时刻，多个任务同时执行。多核cpu可以实现并行。

在这里插入图片描述

二.线程的三种实现方式

创建线程的方式:

  • 通过重写Runnable 接口的run方法；
  • 通过继承 Thread 类,重写run方法；
  • 通过 Callable 和 Future 创建线程。

方式一(通过重写Runnable 接口的run方法)

public class RunnableTest implements Runnable
{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            System.out.println("执行方式一:执行第" + i + "次");

        }
    }
}

class Test{
    public static void main(String[] args) {
        // 方式一
        Thread thread = new Thread(new RunnableTest());
        thread.start();
		// 方式二
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                System.out.println("执行方式二:执行第" + i + "次");

            }
        });
        thread1.start();
        
    }
}

备注: ()->{} 这种写法是Java8的新特性Lambda表达式
运行效果:
在这里插入图片描述

方式二(通过继承 Thread 类,重写run方法):

class Thread_NEW extends Thread {

    @Override
    public void run() {
       // 重写run方法
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            System.out.println("执行方式三:执行第" + i + "次");

        }
    }
}

class Test2{
    public static void main(String[] args) {
        Thread_NEW thread_new = new Thread_NEW();
        thread_new.start();
    }
}

运行效果:
在这里插入图片描述
分析方式一和方式二:
线程通过start()方法启动,实际上该方法调用的是start0(),该方法被native关键字修饰,表示该方法是一个外部方法。
在这里插入图片描述
start()方法调用start0()方法后，该线程并不一定会立马执行，只是将线程变成了可运行状态。具体什么时候执行，取决于CPU，由CPU统一调度。
在这里插入图片描述
线程的执行方法体就是Runnable接口的run方法(下面的代码在Thread类中)
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
我们需要执行的内容,只需要重写Runnable接口的run方法,在run方法中编写我们要执行的内容即可
在这里插入图片描述

方式一和方式二区别:

① 从java的设计来看，通过继承Thread或者实现Runnable接口来创建线程本质上没有区别,从jdk帮助文档我们可以看到Thread类本身就实现了Runnable接口。
② 实现Runnable接口方式更加适合多个线程共享一个资源的情况，并且避免了单继承的限制,建议使用Runnable。

方式三(通过 Callable 和 Future 创建线程):

class Test3{
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask futureTask = new FutureTask(new RunnableTest(),22);
        futureTask.run();
        System.out.println("返回结果:"+futureTask.get());// 获取返回结果

        FutureTask<Boolean> futureTask1 = new FutureTask<>(new Callable() {
            @Override
            public Object call() throws Exception {
                for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                    System.out.println("执行方式四:执行第" + i + "次");

                }
                return true;
            }
        });
        futureTask1.run();
        System.out.println("返回结果:" + futureTask1.get());
    }
}

运行效果:
在这里插入图片描述
FutureTask 与Future 和Runnable的关系图如下:
进入到FutureTask的源码中,右击鼠标选择Diagrams,选择show Diagram…
在这里插入图片描述
从下图可知FutureTask是RunnableFuture接口的实现类,该接口继承 Runnable 和 Future<V> 接口
在这里插入图片描述
分析方式三:
FutureTask类通过Runnable接口进行初始化实际上还是在初始化 Callable
在这里插入图片描述

通过 Executors.callable(runnable, result); 获取Callable
在这里插入图片描述

FutureTask类可以通过get()方法获取线程中方法体的返回值 outcome ,如果初始化FutureTask的时候传递的是Runnable接口,通过get()方法获取的就是传入的result。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
FutureTask通过run()方法开启线程
在这里插入图片描述
在执行run()方法的时候调用call()执行方法体,并将返回值赋值给result,然后通过set(result)初始化outcome
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

三.线程的终止

① 当线程完成任务后,会自动退出。
② 还可以通过使用变量来控制run方法退出的方式停止线程，即通知方式

需求:主线程休眠1s之后停止子线程运行,实现代码如下:

class RunnableController implements Runnable
{
    // 定义一个线程状态标识
    private boolean start;
    private int i;

    public RunnableController() {
        this.start = true;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (start) {
            ++i;
            System.out.println("执行方式一:执行第" + i + "次");
        }
    }

    // 通过set进行属性设置
    public void setStart(boolean start) {
        this.start = start;
    }
}

class Test4{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        RunnableController runnableController = new RunnableController();
        Thread thread = new Thread(runnableController);
        thread.start();

        // 1s钟后停止线程
        Thread.sleep(1000);
        runnableController.setStart(false);
        
    }
}

运行效果:
在这里插入图片描述

四.线程常用方法

1.第一组常用方法

在这里插入图片描述

  • setName(),getName(),getPriority(),setPriority()
public class ThreadMethod {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()-> System.out.println("当前线程名称:"+Thread.currentThread().getName()+"该线程的优先级:"+Thread.currentThread().getPriority()));
        thread.setName("线程1");
        thread.setPriority(1);// 1~10

        Thread thread2 = new Thread(()-> System.out.println("当前线程名称:"+Thread.currentThread().getName()+"该线程的优先级:"+Thread.currentThread().getPriority()));
        thread2.setName("线程2");
        thread2.setPriority(10);// 1~10

        Thread thread3 = new Thread(()-> System.out.println("当前线程名称:"+Thread.currentThread().getName()+"该线程的优先级:"+Thread.currentThread().getPriority()));
        thread2.setName("线程3");

        thread.start();
        thread2.start();
        thread3.start();


    }
}

运行效果:
在这里插入图片描述

优先级必须设置在1~10闭区间,不然会引发 IllegalArgumentException 异常,数值越大优先级越高,
在这里插入图片描述
默认优先级为5,最小优先级为1,最大优先级为10
在这里插入图片描述
优先级越高并不是一定先执行,只是获得更多的执行机会

 @Test
    public void test() {
        Thread.currentThread().setPriority(6);
        for (int j = 0; j < 50; j++) {
            if (j == 10) {
                Thread thread1 = new Thread(() -> {
                    for (int i = 0; i < 50; i++) {
                        System.out.println("优先级为---------" + Thread.currentThread().getPriority());
                    }
                });
                thread1.setPriority(1);
                thread1.start();
            } else if (j == 20) {
                Thread thread2 = new Thread(() -> {
                    for (int i = 0; i < 50; i++) {
                        System.out.println("优先级为---------" + Thread.currentThread().getPriority());
                    }
                });
                thread2.setPriority(10);
                thread2.start();
            }
        }


    }

运行效果:
在这里插入图片描述

  • run()

注意:执行run()方法并不是开启线程,只是通过对象调用run()方法!

 @Test
    public void test2() {
        Thread thread = new Thread(() -> System.out.println("-------调用run方法-----" + Thread.currentThread().getName()));
        thread.run();
    }

运行效果:
在这里插入图片描述

  • interrupt

中断线程，但并没有真正的结束线程。所以一般用于中断正在休眠线程

public class Thread_01 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"吃包子-----------------"+i);
        }
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"休眠中----------");
            Thread.sleep(20000);
        } catch (InterruptedException e) {
          // 当该线程执行到一个interrupt方法时,就会catch一个异常,可以加入自己的业务代码
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被interrupt了");
        }
    }

    @Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        Thread_01 thread_01 = new Thread_01();
        thread_01.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        thread_01.start();
        Thread.sleep(3000);
        thread_01.interrupt();
    }
}

运行效果:
在这里插入图片描述

2.第二组常用方法

在这里插入图片描述
完成需求代码:

public class Thread_02 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <= 10; i++) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("JoinThread----------------"+i);
        }
    }

 @Test
    public void test4() throws InterruptedException {
        Thread_02 thread_02 = new Thread_02();
        thread_02.start();
        thread_02.join();// 插队
        for (int i = 0; i <= 20; i++) {
            Thread.sleep(50);
            System.out.println("张三丰"+i);
        }
    }
}

运行效果:
在这里插入图片描述

五.用户线程和守护线程

用户线程:

用户线程:也叫工作线程，当线程的任务执行完或通知方式结束

守护线程:

守护线程:一般是为工作线程服务的，当所有的用户线程结束，守护线程自动结束,常见的守护线程,垃圾回收机制。

通过 setDaemon(true); 设置该线程为守护线程,实例代码如下:

    @Test
    public void test5() throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(()->{
            try {
                while (true){
                    System.out.println("小偷正在偷钱..");
                    Thread.sleep(50);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        // 将thread设置为守护线程
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();

        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            System.out.println("警察正在来的路上.....");
            Thread.sleep(50);
        }
        System.out.println("警察赶到,小偷被抓,小偷停止偷钱");
    }

运行效果:
在这里插入图片描述

六.线程生命周期

JDK 中用 Thread.State 枚举表示了线程的几种状态
在这里插入图片描述
具体代码如下:
在这里插入图片描述
线程状态转换图
在这里插入图片描述
下面的内容来源于:https://www.pdai.tech/md/java/thread/java-thread-x-thread-basic.html

  • 新建(New)
    创建后尚未启动。
  • 可运行(Runnable)
    可能正在运行，也可能正在等待 CPU 时间片。
    包含了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready。
  • 阻塞(Blocking)
    等待获取一个排它锁，如果其线程释放了锁就会结束此状态。
  • 无限期等待(Waiting)
    等待其它线程显式地唤醒，否则不会被分配 CPU 时间片。
进入方法退出方法
没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法Object.notify() / Object.notifyAll()
没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法被调用的线程执行完毕
LockSupport.park() 方法-
  • 限期等待(Timed Waiting)
    无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。 调用 Thread.sleep() 方法使线程进入限期等待状态时，常常用“使一个线程睡眠”进行描述。 调用 Object.wait() 方法使线程进入限期等待或者无限期等待时，常常用“挂起一个线程”进行描述。 睡眠和挂起是用来描述行为，而阻塞和等待用来描述状态。 阻塞和等待的区别在于，阻塞是被动的，它是在等待获取一个排它锁。而等待是主动的，通过调用 Thread.sleep() 和 Object.wait() 等方法进入。
进入方法退出方法
Thread.sleep() 方法时间结束
设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法时间结束 / Object.notify() / Object.notifyAll()
设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法时间结束 / 被调用的线程执行完毕
LockSupport.parkNanos() 方法-
LockSupport.parkUntil() 方法-
  • 死亡(Terminated)
    可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束。

七.线程同步

什么是线程同步:

① 在多线程编程，一些敏感数据不允许被多个线程同时访问，此时就使用同步访问技术，保证数据在任何同一时刻，最多有一个线程访问，以保证数据的完整性。
② 也可以这里理解:线程同步，即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作.。

同步具体方法使用Synchronized关键字:
在这里插入图片描述
同步原理:
类似于生活中,在寝室上厕所,一次进入一个人(线程),等线程出来之后,再放其他线程进入(这里包括从厕所出来的线程),进入就关门(上锁,互斥锁),出来开门。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

需求:网上售票,一段时间同时有多人进行购票,要保证同一张票不能被多人购买,造成票数出现负数情况。
出现票数负数的代码:

package com.zm.synchronization;

public class SynChronZedTest {
    public static void main(String[] args) {
        RunnableNew runnableNew = new RunnableNew();
        Thread thread = new Thread();
        thread.setName("售票窗口1");
        thread.start();

        Thread thread2 = new Thread(runnableNew);
        thread2.setName("售票窗口2");
        thread2.start();

        Thread thread3 = new Thread(runnableNew);
        thread3.setName("售票窗口3");
        thread3.start();

        Thread thread4 = new Thread(runnableNew);
        thread4.setName("售票窗口4");
        thread4.start();

    }
}

class RunnableNew implements Runnable {

    private  Integer tick = 50;


    @Override
    public  void run() {

        while (true) {
            if (tick <= 0) {
                System.out.println("售票结束");
                break;
            }


            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // 进行出售
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出,还剩票数" + (--tick));
        }


    }
}

在这里插入图片描述

改进使用同步代码块:

package com.zm.synchronization;

public class SynChronZedTest {
    public static void main(String[] args) {
        RunnableNew runnableNew = new RunnableNew();
        Thread thread = new Thread();
        thread.setName("售票窗口1");
        thread.start();

        Thread thread2 = new Thread(runnableNew);
        thread2.setName("售票窗口2");
        thread2.start();

        Thread thread3 = new Thread(runnableNew);
        thread3.setName("售票窗口3");
        thread3.start();

        Thread thread4 = new Thread(runnableNew);
        thread4.setName("售票窗口4");
        thread4.start();
    }
}

class RunnableNew implements Runnable {

    private  Integer tick = 50;
    @Override
    public void run() {
        while (true) {

            synchronized (RunnableNew.class) {
                if (tick <= 0) {
                    System.out.println("售票结束");
                    break;
                }

                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                // 进行出售
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出,还剩票数" + (--tick));
            }

        }


    }
}

运行效果:
在这里插入图片描述

改进使用同步方法:

package com.zm.synchronization;

public class SynChronZedTest {
    public static void main(String[] args) {
        RunnableNew runnableNew = new RunnableNew();
        Thread thread = new Thread();
        thread.setName("售票窗口1");
        thread.start();

        Thread thread2 = new Thread(runnableNew);
        thread2.setName("售票窗口2");
        thread2.start();

        Thread thread3 = new Thread(runnableNew);
        thread3.setName("售票窗口3");
        thread3.start();

        Thread thread4 = new Thread(runnableNew);
        thread4.setName("售票窗口4");
        thread4.start();
    }
}

class RunnableNew implements Runnable {
    private boolean tage = true;
    private  Integer tick = 50;
    @Override
    public void run() {
        while (tage) {
            sell();
        }


    }

    private synchronized void sell() {
        if (tick <= 0) {
            System.out.println("售票结束");
            this.tage = false;
            return;
        }

        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 进行出售
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出,还剩票数" + (--tick));
    }
}

运行效果:
在这里插入图片描述
其实上面二种方式本质是一样的:
在这里插入图片描述
使用this进行上锁和未用static修饰的同步方法进行上锁本质上是一致的都是对当前对象进行上锁(上面锁的就是runnableNew对象,四个线程都是使用该对象进行上锁可以保证线程同步)
在这里插入图片描述
为了验证上面的说法,这里我们给四个线程分别传递不同的RunnableNew对象,该对象中tick通过static进行修饰保证数据共享
在这里插入图片描述

详细代码如下:

package com.zm.synchronization;

public class SynChronZedTest {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread();
        thread.setName("售票窗口1");
        thread.start();

        Thread thread2 = new Thread(new RunnableNew());
        thread2.setName("售票窗口2");
        thread2.start();

        Thread thread3 = new Thread(new RunnableNew());
        thread3.setName("售票窗口3");
        thread3.start();

        Thread thread4 = new Thread(new RunnableNew());
        thread4.setName("售票窗口4");
        thread4.start();
    }
}

class RunnableNew implements Runnable {
    private static Integer tick = 50;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {
                if (tick <= 0) {
                    System.out.println("售票结束");
                    break;
                }

                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                // 进行出售
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出,还剩票数" + (--tick));
            }

        }


    }
}

运行效果( 再次运行会发现票数出现负数 ):
在这里插入图片描述
上面的操作类似于下图:
在这里插入图片描述
改进方法,同步代码块中将this换成RunnableNew.class或同步方法加上static关键字(提高锁对象的作用域)
在这里插入图片描述
运行效果( 问题解决 ):
在这里插入图片描述
上面的操作类似与下图:
在这里插入图片描述
实际上像上面这种操作,效率是非常低的,运行多次发现大多数情况下只有一个线程在跑
在这里插入图片描述

八.线程死锁

1.什么是死锁

多个线程都占用了对方的锁资源,但不肯相让，导致了死锁,在编程是一定要避免死锁的发生.

应用案例:
在这里插入图片描述
实例代码如下:

package com.zm.synchronization;

import org.junit.Test;

public class DeadLockDemo extends Thread {
    private static Object playPhone = new Object();
    private static Object doHomerWork = new Object();
    private  boolean tage;

    public DeadLockDemo(boolean tage) {
        this.tage = tage;
    }
    @Override
    public void run() {
        if (tage) {
            // 先玩手机再做作业
            synchronized (playPhone) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":我在玩手机不要来管喔!");
                synchronized (doHomerWork) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":妈妈,我手机玩好啦,开始做作业啦");
                }
            }

        } else {
            synchronized (doHomerWork) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +":儿子，快去做作业,做完再玩!");
                synchronized (playPhone) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +":儿子真乖,去玩会手机吧");
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        DeadLockDemo mom = new DeadLockDemo(false);
        mom.setName("妈妈");
        DeadLockDemo son = new DeadLockDemo(true);
        son.setName("儿子");
        mom.start();
        son.start();
    }
}

运行效果( 造成了死锁 ):
在这里插入图片描述

2.释放锁

下面操作会释放锁:
在这里插入图片描述
下面操作不会释放锁:
在这里插入图片描述
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加:2022-05-01 15:33:33  更:2022-05-01 15:38:03 
 
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