java多线程

一、基本概念：程序、进程、线程

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，共享一个进程中的结构：方法区和堆。

程序：为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即一段静态的代码，静态对象。
进程：是程序的一次执行过程，或者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、消亡的过程。

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。

线程：进程可以进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多
并行：同一时间段，多个任务都在执行 (单位时间内不一定同时执行)；
并发：单位时间内，多个任务同时执行。

二、线程的创建和使用

创建多线程方式一：继承Thread类

//1. 创建一个继承于Thread类的子类
class MyThread extends Thread {
    //2. 重写Thread类的run()
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}


public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //3. 创建Thread类的子类的对象
        MyThread t1 = new MyThread();

        //4.通过此对象调用start():①启动当前线程 ② 调用当前线程的run()
        t1.start();
        //问题一：我们不能通过直接调用run()的方式启动线程。
//        t1.run();

        //问题二：再启动一个线程，遍历100以内的偶数。不可以还让已经start()的线程去执行。会报IllegalThreadStateException
//        t1.start();
        //我们需要重新创建一个线程的对象
        MyThread t2 = new MyThread();
        t2.start();


        //如下操作仍然是在main线程中执行的。
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i + "***********main()************");
            }
        }
    }

}

第一步：创建一个继承于Thread类的子类
第二步：重写Thread类的run() —>将此线程需要执行的操作声明在run()中
第三步：创建Thread类的子类的对象
第四步：通过此对象调用start()。start()方法执行了两步：1、启动当前线程。2、调用当前线程的run()方法。
创建过程中两个问题的说明
- 我们不能通过直接调用run()的方式启动线程，如果自己手动调用run()方法，那么就只是普通方法，没有启动多线程模式。
- 不可以还让已经start()的线程再去执行start()。会报IlLegalThreadStateException。即一个线程对象只能调用一次start()方法启动，如果重复调用了，则将抛出以上的异常“IllegalThreadStateException”。
面试题：为什么我们调用start()方法时会执行run()方法，为什么我们不能直接调用run()方法？

new 一个 Thread，线程进入了新建状态。调用 start()方法，会启动一个线程并使线程进入了就绪状态，当分配到时间片后就可以开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工作，然后自动执行 run() 方法的内容，这是真正的多线程工作。但是，直接执行 run() 方法，会把 run() 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会以多线程的方式去运行。

Thread类中的常用方法
- start()：启动当前线程；并调用当前线程的run()。
- 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。
- currentThread():静态方法，返回执行当前代码的线程
- getName():获取当前线程的名字
- setName():设置当前线程的名字
- yield()：释放当前cpu的执行权。即暂停当前正在执行的线程，把执行机会让给优先级相同或更高的线程
- 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。
- stop():已过时。当执行此方法时，强制结束当前线程。
- sleep(long millitime)：Thread类的静态方法，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。
- isAlive():判断当前线程是否存活
线程的优先级
- 线程的优先级等级：

MAX_PRIORITY：10

MIN_PRIORITY：1

NORM_PRIORITY：5 —>默认的优先级

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。并不意味着只有当高优先级的线程执行完以后，低优先级的线程才执行。

创建多线程方式二：实现Runnable接口

//1. 创建一个实现了Runnable接口的类
class MThread implements Runnable{

    //2. 实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }

        }
    }
}


public class ThreadTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        //3. 创建实现类的对象
        MThread mThread = new MThread();
        //4. 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
        Thread t1 = new Thread(mThread);
        t1.setName("线程1");
        //5. 通过Thread类的对象调用start():① 启动线程 ②调用当前线程的run()-->调用了Runnable类型的target的run()
        t1.start();

        //再启动一个线程，遍历100以内的偶数
        Thread t2 = new Thread(mThread);
        t2.setName("线程2");
        t2.start();
    }

}

创建一个实现了Runnable接口的类
实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
创建实现类的对象
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
通过Thread类的对象调用start()。start()方法执行了两步：1、启动当前线程。2、调用当前线程的run()方法。----> 调用了Runnable类型的target的run方法。
比较创建线程的两种方式。
- 开发中优先选择：实现Runnable接口的方式

原因：1、实现的方式没有类的单继承的局限性

2、实现的方式更适合来处理多个进程有共享数据的情况。

联系：public class Thread implements Runnbale
Thread也实现了Runnable接口。

共同点：两种方式都需要重写run()方法，将线程要执行的逻辑声明在run()方法中。目前两种方式，要想启动线程，都是调用的Thread类中的start()方法

三、线程的生命周期

JDK中Thread.state类定义了线程的几种状态
- 新建：当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态。
- 就绪：处于新建状态的线程被start()后，将进入线程队列等待CPU时间片，此时它已具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源
- 运行：当就绪的线程被调度并获得CPU资源时,便进入运行状态， run()方法定义了线程的操作和功能
- 阻塞：在某种特殊情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，让出CPU并临时中止自己的执行，进入阻塞状态
- 死亡：线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束

四、线程的同步

线程安全问题
如何解决线程安全问题

在Java中，我们通过同步机制，来解决线程的安全问题。

同步的方式解决了线程的安全问题。—好处

操作同步代码块时，只能有一个线程参与，其他线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。—局限性

方式一：同步代码块
同步代码块解决实现Runnable接口的线程安全问题

//同步代码块解决实现Runnable接口的线程安全问题	
class Window1 implements Runnable{
    private int ticket = 100;
//    Object obj = new Object();
//    Dog dog = new Dog();
    @Override
    public void run() {
//        Object obj = new Object();
        while(true){
            synchronized (this){//此时的this:唯一的Window1的对象   //方式二：synchronized (dog) {

                if (ticket > 0) {

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

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为：" + ticket);


                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}


public class WindowTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        Window1 w = new Window1();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

}


class Dog{

}

使用同步代码块解决继承Thread类的方式的线程安全问题

//使用同步代码块解决继承Thread类的方式的线程安全问题
class Window2 extends Thread{


    private static int ticket = 100;

    private static Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {

        while(true){
            //正确的
//            synchronized (obj){
            synchronized (Window2.class){//Class clazz = Window2.class,Window2.class只会加载一次
                //错误的方式：this代表着t1,t2,t3三个对象
//              synchronized (this){

                if(ticket > 0){

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

                    System.out.println(getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                }else{
                    break;
                }
            }

        }

    }
}


public class WindowTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Window2 t1 = new Window2();
        Window2 t2 = new Window2();
        Window2 t3 = new Window2();


        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }
}

说明：

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，也不能包含少了。
共享数据：多个线程共同操作的变量。
同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象都可以充当锁。要求：**使用同一个资源的多个线程必须要共用同一把锁。**这个非常重要，否则就无法保证共享资源的安全。
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。一般用当前类的类对象充当锁。

方式二：同步方法

//使用同步方法解决实现Runnable接口的线程安全问题
class Window3 implements Runnable {

    private int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {

            show();
        }
    }

    private synchronized void show(){//同步监视器：this
        //synchronized (this){

            if (ticket > 0) {

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

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为：" + ticket);

                ticket--;
            }
        //}
    }
}


public class WindowTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        Window3 w = new Window3();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

}

关于同步方法的总结：

  1. 同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显示的声明。
  1. **非静态的同步方法，同步监视器是：this。**
  1. **静态的同步方法（static synchronized），同步监视器是：当前类本身。所以这时特别注意当处理继承Thread类的线程安全问题时，同步监视器不能是this，而应该是当前类，所以此时要把同步方法改为静态的。**

线程安全的单例模式之懒汉式

    
    public class BankTest {

    }

    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;
        }

    }

线程的死锁问题

1、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、出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续

3、我们使用同步时，要避免出现死锁。

解决死锁的办法：预防和避免
- 如何预防死锁？破坏死锁产生的必要条件
  - 破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。
  - 破坏不剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
  - 破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。
- 如何避免死锁？银行家算法
解决线程安全问题的方式三：Lock锁(同步锁) ----- JDK5.0新增

    class Window implements Runnable{

        private int ticket = 100;
        //1.实例化ReentrantLock
        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        @Override
        public void run() {
            while(true){
                try{

                    //2.调用锁定方法lock()
                    lock.lock();

                    if(ticket > 0){

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

                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：售票，票号为：" + ticket);
                        ticket--;
                    }else{
                        break;
                    }
                }finally {
                    //3.调用解锁方法：unlock()
                    lock.unlock();
                }

            }
        }
    }

    public class LockTest {
        public static void main(String[] args) {
            Window w = new Window();

            Thread t1 = new Thread(w);
            Thread t2 = new Thread(w);
            Thread t3 = new Thread(w);

            t1.setName("窗口1");
            t2.setName("窗口2");
            t3.setName("窗口3");

            t1.start();
            t2.start();
            t3.start();
        }
    }

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：synchronized机制在执行完同步代码以后，自动的释放同步监视器，而Lock需要手动启动同步( lock() )，同时结束同步也需要手动的实现（unlock()）。

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）。

面试题：如何解决线程安全问题？有几种方式
分析一个问题是否是多线程问题，且是否有线程安全问题？
- 是否有多个线程
- 是否有共享数据
- 是否多个线程都操作了共享数据

五、线程的通信

涉及到的三个方法：
- 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。
- 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。
- notifyAll():一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。
说明：
- wait()，notify()，notifyAll()这三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中。
- 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
- wait()，notify()，notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object类中
面试题：sleep()和wait()的异同？

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。

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()

2）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

3）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。

经典例题：生产者/消费者问题

package com.atguigu.java2;


class Clerk{

    private int productCount = 0;
    //生产产品
    public synchronized void produceProduct() {

        if(productCount < 20){
            productCount++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":开始生产第" + productCount + "个产品");

            notify();

        }else{
            //等待
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
    //消费产品
    public synchronized void consumeProduct() {
        if(productCount > 0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":开始消费第" + productCount + "个产品");
            productCount--;

            notify();
        }else{
            //等待
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}

class Producer extends Thread{//生产者

    private Clerk clerk;

    public Producer(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + ":开始生产产品.....");

        while(true){

            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            clerk.produceProduct();
        }

    }
}

class Consumer extends Thread{//消费者
    private Clerk clerk;

    public Consumer(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + ":开始消费产品.....");

        while(true){

            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            clerk.consumeProduct();
        }
    }
}

public class ProductTest {

    public static void main(String[] args) {
        Clerk clerk = new Clerk();

        Producer p1 = new Producer(clerk);
        p1.setName("生产者1");

        Consumer c1 = new Consumer(clerk);
        c1.setName("消费者1");
        Consumer c2 = new Consumer(clerk);
        c2.setName("消费者2");

        p1.start();
        c1.start();
        c2.start();

    }
}

六、JDK5.0新增线程创建方式

创建多线程的方式三：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();
        }
    }

}

第一步：创建一个实现Callable的实现类
第二步：实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
第三步：创建Callable接口实现类的对象
第四步：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。 FutrueTask是Futrue接口的唯一的实现类
第五步：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()
第六步：获取Callable中call方法的返回值
与使用Runnable接口相比，Callable功能更强大些
- 相比run()方法，可以有返回值
- 方法可以抛出异常
- 支持泛型的返回值
- 需要借助FutureTask类，比如获取返回结果
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？
- call()可以有返回值的。
- call()可以抛出异常，被外面的操作捕获，获取异常的信息
- Callable是支持泛型的
开发中常用创建多线程的方式四：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;//这里的强转是为了下面的设置线程属性
        //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();
    }

}

实现步骤
- 提供指定线程数量的线程池
- 设置线程池的属性。即：指定线程数量的线程池
- 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
- 关闭连接池
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。
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
  - maximumPoolSize：最大线程数

java多线程

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