多线程【狂神说Java笔记】

- - 基本概念
  - Thread
  - - 实现 Runnable
    - 小结
  - 实现callable接口
  - Lamda表达式
  - - 线程状态
    - 线程休眠
    - 礼让线程
    - Join
    - 线程优先级
    - 守护线程 (daemon)
    - 线程同步
    - 同步方法
    - 同步块
    - 死锁
  - 线程协作
  - - 解决方式1
  - 使用线程池
  - 其他文章

视频链接：【狂神说Java】多线程详解

基本概念

进程

进程就是执行程序的一次执行过程,它是一个动态的概念,是系统资源分配的单位。
通常在一个进程中可以包含若干个线程,当然一个进程中至少有一个线程,不然没有存在的意义,线程是CPU调度和执行的单位。

线程

线程就是独立的执行路径。
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,比如主线程,gc线程。
main()称之为主线程,为系统的入口,用于执行整个程序;
在一个进程中,如果开辟了多个线程,线程的运行是由调度器安排调度的,调度器是与操作系统紧密相关的,先后顺序是不能人为干预的。
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;
线程会带来额外的开销,如CPU调度时间,并发控制开销。
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

多线程

Thread

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

// 创建线程方式一： 继承Thread类，重写run()方法，调用start开启线程
// 总结：注意，线程开启不一定立即执行，由CPU调度执行
public class TestThread1 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        // run方法线程体
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            System.out.println("我在看代码-------"+i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        // main线程，主线程
        // 创建一个线程对象
        TestThread1 testThread1 = new TestThread1();
        // 调用start（）方法开启线程
        testThread1.start();

        for (int i = 0; i <1000 ; i++) {
            System.out.println("我在学习多线程--"+i);
        }
    }
}

练习Thread, 实现多线程同步下载图片

// 练习Thread, 实现多线程同步下载图片
// public class TestThread2 extends Thread
public class TestThread2 implements Runnable{
    private String url; // 网络图片地址
    private String name;// 保存的文件名
    public TestThread2(String url, String name){
        this.name = name;
        this.url = url;
    }
    // 下载图片线程的执行体
    @Override
    public void run() {
        WebDownLoader webDownLoader = new WebDownLoader();
        webDownLoader.downloader(url,name);
        System.out.println("下载了文件名为："+name+"的图片");
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThread2 t1 = new TestThread2("http://pic.wodingche.com/carimg/gwkqpkqky.jpeg","富冈义勇.jpg");
        TestThread2 t2 = new TestThread2("https://c-ssl.duitang.com/uploads/item/202001/27/20200127105203_ecefs.jpeg", "鬼灭之刃.jpg");
        TestThread2 t3 = new TestThread2("https://hbimg.huabanimg.com/34aeec93f14a4dda7b691544d5fba9a18130872a16a08-jjrNuN_fw658", "炭治郎.jpg");
        new Thread(t1).start(); // implements Runnable 方法 推荐使用
        new Thread(t2).start();
        new Thread(t3).start();
        //t1.start();  extends Thread方法
        //t2.start();
        //t3.start();

    }
}
// 下载器
class WebDownLoader{
    // 下载方法
    public void downloader(String url, String name){
        try {
            FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("IOException,downloader方法出现问题");
        }
    }
}

导入依赖


    commons-io
    commons-io
    2.6

实现 Runnable

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

小结

继承Thread类

子类继承Thread类具备多线程能力
启动线程: 子类对象.start()
不建议使用:避免OOP单继承局限性
实现Runnable接口实现接口Runnable具有多线程能力启动线程:传入目标对象+Thread对象.start()
推荐使用:避免单继承局限性，灵活方便，方便同一个对象被多个线程使用

案例:龟兔赛跑-Race
1.首先来个赛道距离，然后要离终点越来越近
2．判断比赛是否结束
3.打印出胜利者
4．龟兔赛跑开始
5．故事中是乌龟赢的，兔子需要睡觉，所以我们来模拟兔子睡觉
6．终于，乌龟赢得比赛

// 模拟龟兔赛跑
public class Race implements Runnable{
    private static String victor; // winner : 胜利者

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            // 模拟兔子休息
            if (Thread.currentThread().getName().equals("兔子")&& i%10==0){
                try {
                    Thread.sleep(5);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 判断比赛是否结束
            boolean flag = gameOver(i);
            if (flag){ // 默认true
                break;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->跑了"+i+"步");
        }
    }
    // 判断是否完成比赛
    private boolean gameOver(int steps){
        // 判断是否有胜利者
        if (victor!=null){ // 已经存在胜利者了
            return true;
        }
        if (steps == 100){
            victor = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println("The victor is: "+victor);
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Race race = new Race();
        new Thread(race,"乌龟").start();
        new Thread(race,"兔子").start();
    }
}

实现callable接口

// 线程创建方式三 ：实现callable接口

public class TestCallable implements Callable {
    private String url; // 网络图片地址
    private String name;// 保存的文件名
    public TestCallable(String url, String name){
        this.name = name;
        this.url = url;
    }
    // 下载图片线程的执行体
    @Override
    public Boolean call() {
        WebDownLoader webDownLoader = new WebDownLoader();
        webDownLoader.downloader(url,name);
        System.out.println("下载了文件名为："+name+"的图片");
        return true;
    }
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        TestCallable t1 = new TestCallable("http://pic.wodingche.com/carimg/gwkqpkqky.jpeg","富冈义勇.jpg");
        TestCallable t2 = new TestCallable("https://c-ssl.duitang.com/uploads/item/202001/27/20200127105203_ecefs.jpeg", "鬼灭之刃.jpg");
        TestCallable t3 = new TestCallable("https://hbimg.huabanimg.com/34aeec93f14a4dda7b691544d5fba9a18130872a16a08-jjrNuN_fw658", "炭治郎.jpg");
        // 创建执行服务： 线程池
        ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(3);
        // 提交执行
        Future r1 = ser.submit(t1);
        Future r2 = ser.submit(t2);
        Future r3 = ser.submit(t3);

        // 获取结果
        Boolean rs1 = r1.get();
        Boolean rs2 = r2.get();
        Boolean rs3 = r3.get();

        System.out.println(rs1);
        System.out.println(rs2);
        System.out.println(rs3);

        // 关闭服务
        ser.shutdown();
    }
}
// 下载器
class WebDownLoader{
    // 下载方法
    public void downloader(String url, String name){
        try {
            FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("IOException,downloader方法出现问题");
        }
    }
}

Lamda表达式

为什么要使用lambda表达式
避免匿名内部类定义过多可以让你的代码看起来很简洁去掉了一堆没有意义的代码,只留下核心的逻辑。理解Functional Interface(函数式接口）是学习Java8 lambda表达式的关键所在。函数式接口的定义:

任何接口，如果只包含唯一一个抽象方法，那么它就是一个函数式接口。
对于函数式接口，我们可以通过lambda表达式来创建该接口的对象。

线程状态

停止线程

public class TestStop implements Runnable{
    // 1.设置一个标识位 flag
    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stop方法 切换标志位，让线程停止
                testStop.stop();
                System.out.println("线程该停止了");
            }
        }
    }
}

线程休眠

sleep(时间)指定当前线程阻塞的毫秒数;（1s=1000毫秒）
sleep存在异常InterruptedException;
sleep时间达到后线程进入就绪状态;
sleep可以模拟网络延时，倒计时等。
每一个对象都有一个锁，sleep不会释放锁;

礼让线程

礼让（Yield : 让步）线程，让当前正在执行的线程暂停，但不阻塞
将线程从运行状态转为就绪状态
让cpu重新调度，礼让不一定成功! 看CPU心情

Join

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
可以想象成插队

线程优先级

Java提供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，线程调度按照优先级决定应该调度哪个线程来执行。
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;

使用以下方式改变或获取优先级 - getPriority() . setPriority(int xxx)
优先级低只是意味着获得调度的概率低，并不是优先级低就不会被调用了。这都是看CPU的调度。

守护线程 (daemon)

线程分为用户线程和守护线程
虚拟机必须确保用户线程执行完毕
虚拟机不用等待守护线程执行完毕
如,后台记录操作日志,监控内存,垃圾回收等待…

线程同步

多个线程操作同一个资源
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，这时候我们就需要线程同步，线程同步其实就是一种等待机制，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。
由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间,在带来方便的同时,也带来了访问冲突问题,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
, 当一个线程获得对象的排它锁，独占资源﹐其他线程必须等使用后释放锁即可，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。

同步方法

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synchronized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
方法一旦执行﹐就独占该锁﹐直到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Snchronized将会影响效率

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 ,就是这个对象本身,或者是class。
  同步监视器的执行过程
第一个线程访问,锁定同步监视器﹐执行其中代码.
第二个线程访问,发现同步监视器被锁定,无法访问
第一个线程访问完毕,解锁同步监视器
第二个线程访问,发现同步监视器没有锁, 然后锁定并访问

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,都停止执行的情形,某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能会发生“死锁”的问题。
避免死锁的方法

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，对已获得的资源保持不放。
3.不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，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。
上面列出了死锁的四个必要条件，我们只要想办法破其中的任意一个或多个条就可以避免死锁发生

Lock（锁）

从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义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，线程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，可以显式加锁、释放锁。

synchronized 与 Lock的对比

Lock是显式锁（手动开启和关闭锁,别忘记关闭锁) ，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（提供更多的子类)
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(在方法休之外）

线程协作

生产者消费者模式
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。

线程通信-分析

这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源,并且生产者者和消费者之间相互依赖，互为条件。
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 可阻止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)
Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

注意:均是Object类的方法,都只能在同步方法或者同步代码块中使用,否则会抛出异常IllegalMonitorStateException

解决方式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 : 消费者不能直接使用生产者的数据﹐他们之间有个“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 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; // 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
        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;
    }
}

解决方式2
并发协作模型“生产者/消费者模式”—>信号灯法

// 测试生产者消费者问题2：信号灯法，标志位解决
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){
                this.tv.play("鬼灭之刃");
            }else {
                this.tv.play("狐妖小红娘");
            }
        }
    }
}
// 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();
        }
    }
}
// 产品--->节目
class TV{
    // 演员表演，观众等待
    // 观众观看，演员等待
    String voice; // 表演的节目
    boolean flag = true;

    // 表演
    public synchronized void play(String voice){
        if (!flag){
            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){
            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;
    }
}

使用线程池

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。
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(Runnable command) :执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable。
- < T> Future< T> submit(Callable< T> task):执行任务，有返回值，一般又来执行Callable
- void shutdown(): 关闭连接池
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

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