「Java」十、多线程

发布于 2022-04-23  189 次阅读


基本概念: 程序、进程、线程

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。即指一段静态的代码,静态对象。

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。——生命周期

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

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。

说明:线程作为调度和执行的单位,每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc)。线程切换的开销小

一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间

它们从同一堆中分配对象,可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。

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单核CPU和多核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。

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,其实至少有三个线程: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。

并行与并发

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。

使用多线程的优点

  1. 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义,可增强用户体验。
  2. 提高计算机系统CPU的利用率
  3. 改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程,独立运行,利于理解和 修改

何时需要多线程

程序需要同时执行两个或多个任务。

程序需要实现一些需要等待的任务时,如用户输入、文件读写 操作、网络操作、搜索等。

需要一些后台运行的程序时。

线程的创建和使用

多线程的创建方式一:继承于Thread类

  1. 创建一个继承于Thread类的子类
  2. 重写Thread类的run(),将此线程执行的操作声明在run()中
  3. 创建Thread类的子类对象
  4. 通过此对象调用start()
class PrimeThread extends Thread {
         long minPrime;
         PrimeThread(long minPrime) {
             this.minPrime = minPrime;
         }

         public void run() {
             // compute primes larger than minPrime
              . . .
         }
     }
//下面的代码将创建一个线程并开始运行:
PrimeThread p = new PrimeThread(143);
p.start();

问题一: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。run()方法由JVM调用,什么时候调用,执行的过程控制都有操作系统的CPU调度决定。想要启动多线程,必须调用start方法。

问题二:若要再启动一个相同功能的线程,不能让已经start()的线程去执行,如果重复调用了,则将抛出异常“IllegalThreadStateException”。需要再创建一个线程对象。

多线程的创建方式二:实现Runnable接口

  1. 创建一个实现了Runnable接口的类
  2. 实现类去实现Runnable中的抽象方法:run()
  3. 创建实现类的对象
  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
  5. 通过Thread类的对象调用start()
class PrimeRun implements Runnable {
         long minPrime;
         PrimeRun(long minPrime) {
             this.minPrime = minPrime;
         }

         public void run() {
             // compute primes larger than minPrime
              . . .
         }
     }
//下面的代码将创建一个线程并开始运行:
PrimeRun p = new PrimeRun(143);
new Thread(p).start();

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实现类的方式没有类的单继承性的局限性,②实现的方式更适合来处理多个线程有共享数据的情况

联系:public class Thread extends Object 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

窗口问题例子

class Window extends Thread{
    priavte static int ticket=100;//需要加static
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            if(ticket>0){
                System.out.println(getName()+":买票,票号为:"+ticket);
                tickect--;
            }else{
                break;
            }
        }
    }
}
public class TreadMethodTest{
    public static void main(String[] args){
        Windows h1=new Windows("Thread1");
        Windows h2=new Windows("Thread2");
        //h1.setName("线程一");
        h1.start();
        h2.start();
    }
}
class Windows1 implements Runnable{
    priavte int ticket=100;//不需要加static
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            if(ticket>0){
                System.out.println(getName()+":买票,票号为:"+ticket);
                tickect--;
            }else{
                break;
            }
        }
    }
}
public class WindowsTest1{
    public static void main(String[] args){
        Windows1 w=new Windows1();

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

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

        h1.start();
        h2.start();
    }
}

补充:线程的分类

Java中的线程分为两类:一种是守护线程,一种是用户线程。

守护线程是用来服务用户线程的,通过在start()方法前调用 thread.setDaemon(true)可以把一个用户线程变成一个守护线程。

Java垃圾回收就是一个典型的守护线程。若JVM中都是守护线程,当前JVM将退出。形象理解:兔死狗烹,鸟尽弓藏

Thread类中的常用方法

  1. void start():启动当前线程;调用当前线程的un()
  2. void 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
  3. static Thread currentThread():静态方法,返回执行当前代码的线程
  4. String getName():获取线程的名字
  5. void setName(String name):设置线程的名字
  6. static void yield():释放当前cpu的执行权
  7. final void 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
  8. void stop():已过时。当执行此方法时,强制结束当前线程
  9. static void 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。抛出InterruptedException异常
  10. boolean isAlive():判断线程是否存活

线程的优先级

线程的优先级等级:

MAX_PRIORITY:10

MIN _PRIORITY:1

NORM_PRIORITY:5

涉及的方法:

getPriority() :返回线程优先值

setPriority(int newPriority) :改变线程的优先级

说明:

线程创建时继承父线程的优先级

低优先级只是获得调度的概率低,并非一定是在高优先级线程之后才被调用

线程的生命周期

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JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态

线程的同步

方式一:同步代码块

synchronized(同步监视器){
    //需要被同步的代码
}

说明:

  1. 操作共享数据的代码,记为需要被同步的代码
  2. 共享数据:多个线程共同操作的变量
  3. 同步监视器:俗称,锁。任何一个类的独享,都可以充当锁。要求多个线程必须要公用同一把锁。

在使用实现Runnable接口的方式时,往往使用this作为同步监视器。在使用继承Thread类时,往往使用“当前类.class”作为同步监视器,只会加载一次,慎用this。

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为同步的。

//Runnable接口方式:
class Window3 implements Runnable{
    private ticket=100;

    public void run(){
        while(true){
            show();
        }
    }

    private synchronized void show(){//默认的同步监视器:this
        ……
    }
}

如果使用继承Thread类的方式,只能将同步方法设为静态方法。同时因为静态方法只能调用静态方法,所以需要使用Thread.currentThread().getName()来获取线程名。

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。
  2. 非静态的同步方法,同步监视器是:this;静态的同步方法,同步监视器是:当前类本身。

同步的好处与坏处:

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(坏处)

解决懒汉式的线程安全问题

//线程不安全的懒汉式:
class Order{
    //1.私有化类的构造器
    private Order(){

    }
    //2.声明当前类的对象,没有初始化
    //4.此对象也必须声明为static的
    private static Order instance=null;
    //3.声明public、static的放回当前类对象的方法
    public static Order getInstance(){
        if(instance==null){
            instance=new Order();
        }
        return instance;
    }
}
//方式一:效率较差
    public static Order getInstance(){
        synchronized (Order.class){
            if(instance==null){
                instance=new Order();
            }
            return instance;
        }
    }
//方式二:
    public static Order getInstance(){
        if(instance==null){//增加一次判断,如果已经创建了对象,则不需要进入同步代码块
            synchronized (Order.class){
                if(instance==null){
                    instance=new Oder();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

死锁

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

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

解决方法:专门的算法、原则;尽量减少同步资源的定义;尽量避免嵌套同步

例子:

class A {
    public synchronized void foo(B b) {
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
                + " 进入了A实例的foo方法"); // ①
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
                + " 企图调用B实例的last方法"); // ③
        b.last();
    }

    public synchronized void last() {
        System.out.println("进入了A类的last方法内部");
    }
}

class B {
    public synchronized void bar(A a) {
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
                + " 进入了B实例的bar方法"); // ②
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
                + " 企图调用A实例的last方法"); // ④
        a.last();
    }

    public synchronized void last() {
        System.out.println("进入了B类的last方法内部");
    }
}

public class DeadLock implements Runnable {
    A a = new A();
    B b = new B();

    public void init() {
        Thread.currentThread().setName("主线程");
        // 调用a对象的foo方法
        a.foo(b);
        System.out.println("进入了主线程之后");
    }

    public void run() {
        Thread.currentThread().setName("副线程");
        // 调用b对象的bar方法
        b.bar(a);
        System.out.println("进入了副线程之后");
    }

    public static void main(String[] args) {
        DeadLock dl = new DeadLock();
        new Thread(dl).start();
        dl.init();
    }
}

jdk5.0新增的方式三:Lock(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。

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。

class A{
    //1.实例化ReentrantLock
    private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
    public void m(){
        //2.调用锁定方法Lock()
        lock.lock();
        try{
            //保证线程安全的代码;
        }
        finally{
            //3.调用解锁的方法unLock()
            lock.unlock();
        }
    }
}

面试题:synchronized与Lock的异同?

相同:二者东瓯可以解决线程安全问题

不同: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;Lock需要手动的启动同步,同时结束同步也需要手动的实现。

推荐的优先使用顺序: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)

线程的通信

线程通信的例子:使用两个线程交替打印1~100

涉及三个方法:

wait():一旦执行,当前啊线程就会进入阻塞状态,并释放同步监视器

notify():一旦执行,就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait,就唤醒优先级高的一个

motifyAll():一旦执行,就会唤醒所有被wait的线程

wait(),notify(),notifyAll()的说明:

  1. 三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中
  2. 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IIllegalMonotorStateException异常
  3. 三个方法是定义在java.long.Object类中

面试题:sleep()和wait()的异同?

相同点:一旦执行方法,都可以使得当前的进程进入阻塞状态。

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使用,wait()必须使用在synchronized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()不会释放同步监视器,wait()会释放同步监视器

//例子:
class Clerk{
    private int productCount=0;

    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{
            wait();//需要try-catch
        }
    }

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

            notify();
        }else{
            wait();
        }
    }
}

class Producer extends Tread{
    private Clerk clerk;

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

    @Override
    public void run(){
        Thread.sleep(100);//需要try-catch
        clerk.produceProduct();
    }
}

class Consumer extends Tread{
    private Clerk clerk;

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

    @Override
    public void run(){
        Thread.sleep(100);
        clerk.consumeProduct();
    }
}

public clss 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");

        p1.start();
        c1.start();
    }
}

JDK5.0新增线程创建方式

新增方式一: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参数传递到FutureTask的构造器中,创建FutureTask的对象
        FutureTask futureTask=new FutureTask(numThread);
        //5.将FutureTaske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(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

如何理解实现Callable接口的方式创建多线程比实现Runnable接口穿件多线程方式强大?

  1. call()可以有返回值
  2. call()可以跑出异常,被外面呢的操作捕获,获取异常的信息
  3. Callable是支持泛型的

新增方式二: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

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