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JavaSE多线程(6)学习总结

在我们的生活中，比如公司的笔试面试，又或者是开始了解计算机底层的知识，都需要我们了解进程、线程等相关的概念。在这里仅此个人做一个总结，本文参考多个博客内容和视频以完善多线程知识。

1、多线程简介

1.1 简单介绍各个名词

这里要区分程序、进程、线程、并行、并发、多任务等相关的概念。

  • 程序：程序是为了完成程序员所期待完成的业务，用某种语言编写的一组指令集合，即一段静态代码、对象。
  • 进程(process)：是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序，是一个动态的过程，有它自身的产生，存在和消亡的过程。它在操作系统运行，是系统分配资源的单位。
  • 线程(Thread)：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。它是CPU调度和执行的单位
  • 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，比如秒杀平台，多个人做同件事。但是在计算机看来时间差过短以致于直观上是一种同时进行的感觉。
  • 多任务：比如边吃饭边玩手机，但是多任务本质上是一个时间做一件事情

1.2 核心概念

  1. 线程就是独立的执行路径。比如main函数就是一个主线程，运行时主要就是在main函数下进行。
  2. 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。如日志、GC线程。这一类线程通常叫做守护线程。
  3. main()称之为主线程，为系统的入口，用于执行整个程序。
  4. 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是干预的。
  5. 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。
  6. 线程会带来额外的开销，如CPU调度时间，并发控制开销。
  7. 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。

2、线程的创建

线程的创建方式：

  • 继承Thread类
  • 实现Rrunnable接口
  • 实现Callable接口

2.1 Thread

  1. 自定义线程类继承Thread类
  2. 重写**run()**方法，编写线程执行体
  3. 创建线程对象，调用**start()**方法启动线程

线程开启时不一定立即执行，而且由CPU来安排调度。

缺点：

  • 在于会造成线程不安全情况，即资源紊乱。
  • 避免OOP单继承局限性。

2.2 Runnable接口

  1. 定义MyRunnable类实现Runnable接口
  2. 实现run()方法，编写线程执行体
  3. 创建线程对象，调用start()方法启动线程

实际上第一个Thread继承中，Thread实现了Runnable接口。在避免单继承局限性上会更加灵活多变，并且方便同一个对象被多个线程使用。

public class TestThread implements Runnable {
        //票数
        private int ticketNum = 10;

        @Override
        public void run() {
                while (true) {
                        if (ticketNum <= 0) {
                                break;
                        }
                        //模拟延时
                        try {
                                Thread.sleep(200);
                        } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->拿到了第" + ticketNum-- + "票");
                }
        }

        public static void main(String[] args) {
                TestThread ticket = new TestThread();
                new Thread(ticket, "小明").start();
                new Thread(ticket, "老师").start();
                new Thread(ticket, "黄牛党").start();
        }
}

在这里插入图片描述

这里是实现Runnable接口的方式。

2.3 实现Callable接口（了解）

  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();

3、线程状态

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线程状态包括新建、就绪、运行、阻塞和死亡阶段。

  • 新建状态:

    使用 new 关键字和 Thread 类或其子类建立一个线程对象后，该线程对象就处于新建状态。它保持这个状态直到程序 start() 这个线程。

  • 就绪状态:

    当线程对象调用了start()方法之后，该线程就进入就绪状态。就绪状态的线程处于就绪队列中，要等待JVM里线程调度器的调度。

  • 运行状态:

    如果就绪状态的线程获取 CPU 资源，就可以执行 run()，此时线程便处于运行状态。处于运行状态的线程最为复杂，它可以变为阻塞状态、就绪状态和死亡状态。

  • 阻塞状态:

    如果一个线程执行了sleep（睡眠）、suspend（挂起）等方法，失去所占用资源之后，该线程就从运行状态进入阻塞状态。在睡眠时间已到或获得设备资源后可以重新进入就绪状态。可以分为三种：

    • 等待阻塞：运行状态中的线程执行 wait() 方法，使线程进入到等待阻塞状态。
    • 同步阻塞：线程在获取 synchronized 同步锁失败(因为同步锁被其他线程占用)。
    • 其他阻塞：通过调用线程的 sleep() 或 join() 发出了 I/O 请求时，线程就会进入到阻塞状态。当sleep() 状态超时，join() 等待线程终止或超时，或者 I/O 处理完毕，线程重新转入就绪状态。

  • 死亡状态:

    一个运行状态的线程完成任务或者其他终止条件发生时，该线程就切换到终止状态。

停止线程

不推荐使用JDK提供的stop()、destory()方法。【已废弃】

推荐线程自己停下来

建议使用一个标志位进行终止变量。当flag=false，则种植者线程运行。

public class TestStop implements Runnable{
    //1.设置一个标志位
    private boolean flag = true;
    @Override
    public void run(){
        int i = 0;
        while(flag){
            System.out.println("run...Thread"+i++);
        }
    }
    //2.设置一个公开的方法停止线程，转换标志位
    public void stop(){
        this.flag = false;
    }
    public static void main(String[] args){
        TestStop testStop = new TestStop();
        new Thread(testStop).start();
        for(int i=0;i<1000;i++){
            System.out.println("main"+i);
            if(i==900){
                //调用我们自己写的stop方法切换标志位，让线程停止
                testStop.stop();
                System.out.println("线程该停止了");
            }
        }
    }
}

意外：

  • 线程进入while循环体内
  • main线程执行stop方法切换标志位并输出
  • 线程执行while方法体的输出
  • 所以会产生线程多输出一次的现象。

在这里插入图片描述

线程休眠

  1. sleep(时间)指定当前线程阻塞的毫秒数。；

  2. sleep存在异常InterruptedException；

  3. sleep时间达到后线程进入就绪状态；

  4. sleep可以模拟网络延时，倒计时等。

  5. 每一个对象都有一个锁，sleep不会释放锁；

    public class TestSleep {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            tenDown();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //模拟倒计时
    public static void tenDown() throws InterruptedException {
        int num = 10;
        while (true) {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(num--);
            if (num <= 0) {
                break;
            }
        }
    }
}

在这里插入图片描述

线程礼让

  1. 线程礼让，让当前正在执行的线程暂停，但不阻塞

  2. 将线程从运行状态转为就绪状态

  3. 让cpu重新调度，礼让不一定成功！看CPU心情

    //测试礼让线程
//礼让不一定成功，看CPU心情
public class TestYield{
    public static void main(String[] args){
        MyYield myYield = new MyYield();
        new Thread(myYield, "a").start();
        new Thread(myYield, "b").start();
    }
}

class MyYield implements Runnable{
    @Override
    public void run(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程开始执行");
        Thread.yield(); //礼让
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程停止执行");
    }
}

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    所以此时礼让不一定会成功。全然看CPU心情。

Join

  1. 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

  2. 可以想象成插队

    //测试Join方法--->想象成插队
public class TestJoin implements Runnable{
    @Override
    public void run(){
        for(int i=0;i<100;i++){
            System.out.println("线程VIP来了"+i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        //启动我们的线程
        TestJoin testJoin = new TestJoin();
        Thread thread = new Thread();
        thread.start();
        //主线程
        for(int i=0;i<1000;i++){
            if(i==200){
                testJoin.run();
                thread.join();  //插队
            }
            System.out.println("main"+i);
        }
    }
}

    在这里插入图片描述

观察测试线程的状态

public class TestState{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        Thread thread = new Thread( ()-> {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("///");
    });

        //观察状态
        Thread.State state = thread.getState();
        System.out.println(state);  //NEW

        //观察启动后
        thread.start(); //启动线程
        state = thread.getState();
        System.out.println(state);  //Run

        while(state != Thread.State.TERMINATED){    //只要线程不终止，就一直输出状态
            Thread.sleep(1000);
            state = thread.getState();  //更新线程状态
            System.out.println(state);  //输出状态
        }
    }
}

在这里插入图片描述

【注意】：

在这里插入图片描述

线程不能启动两次，即死亡之后的线程就不能再启动了。这里是发生了运行时异常(即继承到RuntimeException异常)

执行完了之后就““死”了，只能在new一个执行。

线程优先级

  1. Java提供了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。
  2. 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;
  3. 使用以下方式改变或获取优先级
    • get.Priority.setPriority(int xxx)
  4. 优先级高不一定会先执行，还要看CPU调度谁。只是优先级高被调度的几率大。
//测试线程的优先级
public class TestPriority{
    public static void main(String[] args){
        //主线程默认优先级
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+Thread.currentThread().getPriority());

        MyPriority myPriority= new MyPriority();
        Thread t1 = new Thread(myPriority);
        Thread t2 = new Thread(myPriority);
        Thread t3 = new Thread(myPriority);
        Thread t4 = new Thread(myPriority);
        Thread t5 = new Thread(myPriority);
        Thread t6 = new Thread(myPriority);

        //先设置优先级，再启动
        t1.start();

        t2.setPriority(1);
        t2.start();

        t3.setPriority(4);
        t3.start();

        t4.setPriority(MAX_PRIORITY);   //MAX_PRIORITY=10
        t4.start();

        t5.setPriority(-1);
        t5.start();

        t6.setPriority(11);
        t6.start();
    }
}

class MyPriority implements Runnable{
    @Override
    public void run(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+Thread.currentThread().getPriority());
    }
}

在这里插入图片描述

其中，优先级的设定建议在start()调度前。并且要注意参数不能是负数，也不能大于10，不然会报运行时异常。

守护(daemon)线程

  1. 线程分为用户线程和守护线程
  2. 虚拟机必须确保用户线程执行完毕，如main()
  3. 虚拟机不用等待守护线程执行完毕，如gc()
  4. 比如后台记录操作日志，监控内存，垃圾回收等…
//上帝守护你
public class TestDaemon{
    public static void main(String[] args){
        God god = new God();
        You you = new You();
        Thread thread = new Thread(god);
        thread.setDaemon(true); //默认是false表示是用户线程，正常的线程都是用户线程
        thread.start(); //上帝守护线程启动
        new Thread(you).start();    //你 用户线程启动
    }
}

//上帝
class God implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println("上帝保佑着你");
        }
    }
}
    //你
    class You implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 36500; i++) {
                System.out.println("你一生都开心的活着");
            }
            System.out.println("=====goodbye!World!======");
        }
    }

在这里插入图片描述

可以看到，直到你到100岁死了上帝就不守护你了，但是你死了上帝还要运行一会，因为虚拟机停止需要一点时间。

4、线程同步

线程同步

即等待机制。多个需要同时访问这个对象的线程进入这个对象的等待池形成队列。前面的线程使用完毕下一个线程再使用。

形成条件：队列+锁，即保证安全性

  • 锁机制synchronized(隐式锁)

存在问题：

  • 加锁会影响性能(上下文切换、调度延时)

  • 导致其他需要此锁的线程挂起

  • 优先级高的等待优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置

同步块

synchronized(obj){}

其中obj推荐使用的是共享资源,锁的是变化的量即增删改

死锁

两个线程各自占有共享资源并且要互相等待其他线程占有的资源才能运行导致的两个或多个线程都在等待对方释放资源。

必要条件：

在这里插入图片描述

Lock锁(显式锁)

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。

通过显式定义同步锁对象实现同步。常用的是ReentrantLock，可以显式加锁和释放锁。

在这里插入图片描述

lock锁和synchronized的区别：

在这里插入图片描述

5、线程协作

线程通信

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，直到仓库中的从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。
分析：
  • 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可组织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）

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解决生产者消费者问题

管程法
  1. 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：不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”
  2. 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
//生产者消费者模型-->利用缓冲区解决：管程法
//需要的四个对象：生产者，消费者，产品，缓冲区
public class TestPC{
    public static void main(String[] args){
        SynContainer container = new SynContainer();

        new Productor(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

//生产者
class Productor extends Thread{
    SynContainer container;
    public Productor(SynContainer container){
        this.container = container;
    }

    //生产
    @Override
    public void run(){
        for(int i=0;i<100;i++){
            container.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了"+i+"只鸡");
        }
    }
}

//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-->"+container.pop().id+"只鸡");
        }
    }
}

//产品
class Chicken{
    int id; //产品编号
    public Chicken(int id){
        this.id = id;
    }
}

//缓冲区
class SynContainer{
    //需要一个容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    //容器计数器
    int count = 0;

    //生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken){
        //如果容器满了，就需要等待消费者消费
        if(count == chickens.length){
            //通知消费者消费，生产者等待
            try{
                this.wait();
            }catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //如果没有满，我们就需要丢入产品
        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
        if(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，通知生产者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}

在这里插入图片描述

具体讲解：

前面消费者、生产者和产品都很好理解。我们可以当做管程法在消费者和生产者中间有一个中间商(比如卖菜和买菜都需要在市场中进行。)

到了缓冲区部分，我们需要实现市场的方法，即能够卖出也能够提供。

//生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken){
        //如果容器满了，就需要等待消费者消费
        if(count == chickens.length){
            //通知消费者消费，生产者等待
            try{
                this.wait();
            }catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //如果没有满，我们就需要丢入产品
        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
        if(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，通知生产者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }

注意，在这两个方法中都应该在方法上加锁。正如消费者和生产者之间的合法交易需要市场监督一样，市场的两个方法都需要提供锁机制以保证线程有一定的安全。

信号灯法
//测试生产者消费者问题2：信号灯法，标志位解决
//演员不是即时表演，是拍出一部片并上传，然后通知观众来看
public class TestPC2{
    public static void main(String[] args){
        TV tv = new TV();
        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}
//生产者--->演员
class Player extends Thread{
    TV tv;
    public Player(TV tv){
        this.tv = tv;
    }
    @Override
    public void run(){
        for(int i=0;i<20;i++){
            if(i%2==0){//一半节目一半广告
                this.tv.play("快乐大本营播放中");
            }else{
                this.tv.play("抖音：");
            }
        }
    }
}
//消费者-->观众
class Watcher extends Thread{
    TV tv;
    public Watcher(TV tv){
        this.tv = tv;
    }
    @Override
    public void run(){
        for(int i=0;i<20;i++){
            tv.watch();
        }
    }
}

class TV{
    //演员表演，观众等待 T
    //观众观看，演员等待 F
    String voice;   //表演的节目
    boolean flag = true;
    //表演
    public synchronized void play(String voice){
        if(!flag){//观众不等待就为反过来
            try{
                this.wait();
            }catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("演员表演了："+voice);
        //通知观众观看
        this.notifyAll();   //通知唤醒
        this.voice = voice;
        this.flag = !this.flag;
    }

    //观看
    public synchronized void watch(){
        if(flag){//为真就观众等待
            try{
                this.wait();
            }catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观看了："+voice);
        //通知演员表演
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;
    }
}

在这里插入图片描述

线程池

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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机后会终止

  4. JDK 5.0 q起提供了线程池相关API：ExecutorService和Executors

  5. 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，一般用来执行Callable
    • void shutdown()：关闭连接池

  6. 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

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

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

        //2.关闭连接
        service.shutdown();
    }
}

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

ble 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，一般用来执行Callable
  • void shutdown()：关闭连接池
  1. 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
public class TestPool{
    public static void main(String[] args){
        //1.创建服务，创建线程池
        //newFixedThreadPool  参数为：线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

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

        //2.关闭连接
        service.shutdown();
    }
}

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

在这里插入图片描述

以上就是Java多线程结合视频、文档和博客的总结。感谢阅读

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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