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Kevin
2023-09-11
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多线程

# Java 多线程

# 序

# 01. 程序(programm)

概念：是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码。

# 02. 进程(process)

概念：程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。 说明：进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域

# 03. 线程(thread)

概念：进程可进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。 说明：线程作为调度和执行的单位，每个线程拥独立的运行栈和程序计数器(pc)，线程切换的开销小。 image-20250925013127189

补充： 内存结构： image-20250925013134932 进程可以细化为多个线程。 每个线程，拥有自己独立的：栈、程序计数器 多个线程，共享同一个进程中的结构：方法区、堆。

# 04. 单核CPU与多核CPU的理解

单核CPU，其实是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。例如：虽然有多车道，但是收费站只有一个工作人员在收费，只有收了费才能通过，那么CPU就好比收费人员。如果某个人不想交钱，那么收费人员可以把他“挂起”（晾着他，等他想通了，准备好了钱，再去收费。）但是因为CPU时间单元特别短，因此感觉不出来。 如果是多核的话，才能更好的发挥多线程的效率。（现在的服务器都是多核的） 一个Java应用程序java.exe，其实至少三个线程：main()主线程，gc()垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。

# 05. 并行与并发的理解

并行：多个CPU同时执行多个任务。比如：多个人同时做不同的事。 并发：一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如：秒杀、多个人做同一件事

# 创建多线程

# 方式一：继承Thread类的方式：

    1. 创建一个继承于Thread类的子类
    1. 重写Thread类的run() --> 将此线程执行的操作声明在run()中
    1. 创建Thread类的子类的对象
    1. 通过此对象调用start()：①启动当前线程 ② 调用当前线程的run()

说明两个问题： 问题一：我们启动一个线程，必须调用start()，不能调用run()的方式启动线程。 问题二：如果再启动一个线程，必须重新创建一个Thread子类的对象，调用此对象的start().

# 方式二：实现Runnable接口的方式：

    1. 创建一个实现了Runnable接口的类
    1. 实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
    1. 创建实现类的对象
    1. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
    1. 通过Thread类的对象调用start()

# 两种方式的对比：

  • 开发中：优先选择：实现Runnable接口的方式
  • 原因：
    1. 实现的方式没类的单继承性的局限性
    1. 实现的方式更适合来处理多个线程共享数据的情况。
  • 联系：public class Thread implements Runnable
  • 相同点：两种方式都需要重写run(),将线程要执行的逻辑声明在run()中。 目前两种方式，要想启动线程，都是调用的Thread类中的start()。

# 方式三（JDK5新增）实现Callable接口

//1.创建一个实现Callable的实现类
class NumThread implements Callable{
    //2.实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(i);
                sum += i;
            }
        }
        return sum;
    }
}

public class ThreadNew {
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建Callable接口实现类的对象
        NumThread numThread = new NumThread();
        //4.将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
        FutureTask futureTask = new FutureTask(numThread);
        //5.将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
        new Thread(futureTask).start();

        try {
            //6.获取Callable中call方法的返回值
            //get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值。
            Object sum = futureTask.get();
            System.out.println("总和为：" + sum);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}
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说明：

  • 如何理解实现Callable接口的方式创建多线程比实现Runnable接口创建多线程方式强大？
    1. call()可以返回值的。
    1. call()可以抛出异常，被外面的操作捕获，获取异常的信息
    1. Callable是支持泛型的
    @Test
    void testIdWorker() throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(300);
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                long id = redisIdWorker.nextId("order");
                System.out.println("id = " + id);
            }
            latch.countDown();

        };
        long begin = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 300; i++) {
            Future<?> submit = executorService.submit(task);
        }
        latch.await();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("time is " + (end - begin));

    }
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# 方式四：使用线程池

class NumberThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0;i <= 100;i++){
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }
        }
    }
}

class NumberThread1 implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0;i <= 100;i++){
            if(i % 2 != 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        //1. 提供指定线程数量的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
        //设置线程池的属性
//        System.out.println(service.getClass());
//        service1.setCorePoolSize(15);
//        service1.setKeepAliveTime();

        //2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
        service.execute(new NumberThread());//适合适用于Runnable
        service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable

//        service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable
        //3.关闭连接池
        service.shutdown();
    }
}
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说明：

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

# Thread类中常用的方法

# Thread类中的常用的方法:

    1. start():启动当前线程；调用当前线程的run()
    1. run(): 通常需要重写Thread类中的此方法，将创建的线程要执行的操作声明在此方法中
    1. currentThread():静态方法，返回执行当前代码的线程
    1. getName():获取当前线程的名字
    1. setName():设置当前线程的名字
    1. yield():释放当前cpu的执行权
    1. join():在线程a中调用线程b的join(),此时线程a就进入阻塞状态，直到线程b完全执行完以后，线程a才结束阻塞状态。
    1. stop():已过时。当执行此方法时，强制结束当前线程。
    1. sleep(long millitime):让当前线程“睡眠”指定的millitime毫秒。在指定的millitime毫秒时间内，当前线程是阻塞状态。
    1. isAlive():判断当前线程是否存活

# 线程的优先级：

    1. MAX_PRIORITY：10 MIN _PRIORITY：1 NORM_PRIORITY：5 -->默认优先级
    1. 如何获取和设置当前线程的优先级： getPriority():获取线程的优先级 setPriority(int p):设置线程的优先级

说明：高优先级的线程要抢占低优先级线程cpu的执行权。但是只是从概率上讲，高优先级的线程高概率的情况下被执行。并不意味着只当高优先级的线程执行完以后，低优先级的线程才执行。

线程通信：wait() / notify() / notifyAll() :此三个方法定义在Object类中的。

补充：线程的分类 一种是守护线程，一种是用户线程。

# Thread的生命周期

图示： image-20250925013215621 说明： 1.生命周期关注两个概念：状态、相应的方法 2.关注：状态a-->状态b:哪些方法执行了（回调方法) 某个方法主动调用：状态a-->状态b 3.阻塞：临时状态，不可以作为最终状态 死亡：最终状态。

# 线程的同步机制

# 1.背景

例子：创建个窗口卖票，总票数为100张.使用实现Runnable接口的方式

    1. 问题：卖票过程中，出现了重票、错票 -->出现了线程的安全问题
    1. 问题出现的原因：当某个线程操作车票的过程中，尚未操作完成时，其他线程参与进来，也操作车票。
    1. 如何解决：当一个线程a在操作ticket的时候，其他线程不能参与进来。直到线程a操作完ticket时，其他线程才可以开始操作ticket。这种情况即使线程a出现了阻塞，也不能被改变。

# 2.Java解决方案：同步机制

在Java中，我们通过同步机制，来解决线程的安全问题。

# 方式一：同步代码块

synchronized(同步监视器){
   //需要被同步的代码
}
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说明：

    1. 操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码。 -->不能包含代码多了，也不能包含代码少了。
    1. 共享数据：多个线程共同操作的变量。比如：ticket就是共享数据。
    1. 同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。 要求：多个线程必须要共用同一把锁。

补充：在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器。 在继承Thread类创建多线程的方式中，慎用this充当同步监视器，考虑使用当前类充当同步监视器。

# 方式二：同步方法

如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，我们不妨将此方法声明同步的。

  • 关于同步方法的总结：
    1. 同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式的声明。
    1. 非静态的同步方法，同步监视器是：this
    1. 静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身

# 方式三：Lock锁 --- JDK5.0新增

面试题：synchronized 与 Lock的异同？

  • 相同：二者都可以解决线程安全问题
  • 不同：
    1. synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器
    1. Lock需要手动的启动同步（lock()，同时结束同步也需要手动的实现（unlock()）

使用的优先顺序：

  • 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)

# 3.利弊

同步的方式，解决了线程的安全问题。---好处 操作同步代码时，只能一个线程参与，其他线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。

# 4.常见问题

面试题：Java是如何解决线程安全问题的，有几种方式？并对比几种方式的不同

面试题：synchronized和Lock方式解决线程安全问题的对比

# 应用

# 线程安全的单例模式(懒汉式)

// 使用同步机制将单例模式中的懒汉式改写为线程安全的。
class Bank{
    private Bank(){}
    private static Bank instance = null;
    public static Bank getInstance(){
        //方式一：效率稍差
//        synchronized (Bank.class) {
//            if(instance == null){
//
//                instance = new Bank();
//            }
//            return instance;
//        }
        //方式二：效率更高
        if(instance == null){
            synchronized (Bank.class) {
                if(instance == null){
                    instance = new Bank();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
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线程安全的单例模式(饿汉式)

//饿汉式
class Bank{
	//1.私有化类的构造器
	private Bank(){
		
	}

	//2.内部创建类的对象
	//4.要求此对象也必须声明为静态的
	private static Bank instance = new Bank();
	
	//3.提供公共的静态的方法，返回类的对象
	public static Bank getInstance(){
		return instance;
	}
}
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单例设计模式：

  1. 所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例。
  2. 区分饿汉式 和 懒汉式
  • 饿汉式：
    1. 坏处：对象加载时间过长。
    1. 好处：饿汉式是线程安全的
  • 懒汉式：
    1. 好处：延迟对象的创建。

# 死锁问题

1.死锁的理解： 不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁

2.说明：

  • 1出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所的线程都处于阻塞状态，无法继续
  • 2我们使用同步时，要避免出现死锁。
  • 3.举例：
public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuffer s1 = new StringBuffer();
        StringBuffer s2 = new StringBuffer();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                synchronized (s1){
                    s1.append("a");
                    s2.append("1");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (s2){
                        s1.append("b");
                        s2.append("2");
                        System.out.println(s1);
                        System.out.println(s2);
                    }
                }

            }
        }.start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (s2){
                    s1.append("c");
                    s2.append("3");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (s1){
                        s1.append("d");
                        s2.append("4");
                        System.out.println(s1);
                        System.out.println(s2);
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}
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# 线程通信

  1. 线程通信涉及到的三个方法：
    1. wait():一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器。
    1. notify():一旦执行此方法，就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先级高的那个。
    1. notifyAll():一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。

2.说明：

    1. wait()，notify()，notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中。
    1. wait()，notify()，notifyAll()三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器。否则，会出现IllegalMonitorStateException异常
    1. wait()，notify()，notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object类中。

3.面试题： 面试题：sleep() 和 wait()的异同？

    1. 相同点：一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入阻塞状态。
    1. 不同点：
      1. 两个方法声明的位置不同：Thread类中声明sleep() , Object类中声明wait()
      1. 调用的要求不同：sleep()可以在任何需要的场景下调用。 wait()必须使用在同步代码块或同步方法中
      1. 关于是否释放同步监视器：如果两个方法都使用在同步代码块或同步方法中，sleep()不会释放锁，wait()会释放锁。
  1. 释放锁总结 小结释放锁的操作： image-20250925013249036

小结不会释放锁的操作： image-20250925013301018

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上次更新: 2024/06/15, 15:12:25
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