【Java并发编程】多线程、线程同步、死锁、线程间通信（生产者消费者模型）、可重入锁、线程池

其他 2020-04-10 18:51:33 阅读次数: 0

并发编程（Concurrent Programming）

我又来推荐一波课程了：小码哥的Java

进程（Process）、线程（Thread）、线程的串行

什么是进程？

  • 在操作系统中运行的一个应用程序
    比如同时打开 QQ 、微信，操作系统就会分别启动 2个进程
    在这里插入图片描述

  • 每个进程之间是独立的，每个进程均运行在其专用且受保护的内存空间内

  • 在 Windows 中，可以通过“任务管理器”查看正在运行的进程
    在这里插入图片描述

什么是线程？

  • 1 个进程要想执行任务，必须得有线程（每 1 个进程至少要有 1 个线程）
  • 一个进程的所有任务都在线程中执行
    比如使用酷狗播放音乐、使用迅雷下载文件，都需要在各自的线程中执行
    在这里插入图片描述

线程的串行

1 个线程中任务的执行是串行的

  • 如果要在 1 个线程中执行多个任务，那么只能一个一个地按顺序执行这些任务
  • 在同一时间内，1 个线程只能执行 1 个任务
    比如在 1 个线程中下载 3 个文件（分别是文件 A、文件 B、文件 C）
    在这里插入图片描述

多线程

什么是多线程？

  • 1 个进程中可以开启多线，所有线程可以并行（同时） 执行不同的任务
    进程 → 车间
    线程 → 车间工人
  • 多线程技术可以提高序的执行效率
    比如同时开启 3 个线程分别下载 3 个文件 （分别是A、文件 B、文件 C）在这里插入图片描述

多线程的原理

  • 同一时间，CPU 的 1 个核心只能处理 1 个线程（只有 1 个线程在工作）
  • 多线程并发（同时）执行，其实是 CPU 快速地在多个线程之间调度（切换）
    在这里插入图片描述
  • 如果 CPU 调度线程的速度足够快，就造成了多线程并发执行的假象
  • 如果是多核 CPU，才是真正地实现了多个线程同时执行

思考：如果线程非常非常多，会发生什么情况？

  • CPU 会在 N 个线程之间调度，消耗大量的 CPU 资源，CPU 会累死
  • 每条线程被调度执行的频次会降低（线程的执行效率降低）

多线程的优缺点

优点：

  • 能适当提高程序的执行效率
  • 能适当提高资源利用率（CPU、内存利用率）

缺点：

  • 开启线程需要占用一定的内存空间，如果开启大量的线程，会占用大量的内存空间，降低程序的性能
  • 线程越多，CPU 在调度线程上的开销就越大
  • 程序设计更加复杂
    比如线程之间的通信问题、多线程的数据共享问题

Java并发编程

默认线程

  • 每一个 Java 程序启动后，会默认开启一个线程，称为主线程（main 方法所在的线程）
  • 每一个线程都是一个java.lang.Thread对象
    可以通过Thread.currentThread方法获取当前的线程对象
public static void main(String[] args) {
	// Thread[main,5,main]
	System.out.println(Thread.currentThread());
}

根据Java源码可知，打印出来的Thread[main,5,main]表示：

  • 进程名为main
  • 进程优先级为5
  • 进程组的名字为main
    在这里插入图片描述

开启新线程

Runnable

public static void main(String[] args) {
	Thread thread = new Thread(new Runnable() {
		@Override
		public void run() {
			// 打印线程名
			System.out.println("开启了新线程：" + Thread.currentThread().getName());
		}
	});
	thread.setName("线程666"); // 设置线程名
	thread.start(); // Thread调用start方法之后，内部会调用run方法
}

开启了新线程：线程666

可以用 Lambda 表达式改写：

public static void main(String[] args) {
	Thread thread = new Thread(() -> { // lambda 表达式
		System.out.println("开启了新线程：" + Thread.currentThread().getName());
	});
	// 不设置线程名则会自动命名, Thread-0, Thread-1, ...
	thread.start(); // Thread调用start方法之后，内部会调用run方法
}

开启了新线程：Thread-0

extends Thread

Thread 类实现了 Runnable 接口 。
在这里插入图片描述

创建一个类 MyThread 继承 Thread 类：

public class MyThread extends Thread {
	@Override
	public void run() {
		System.out.println("开启了新线程：" + Thread.currentThread().getName());
	}
}

public static void main(String[] args) {
	Thread thread = new MyThread();
	thread.start();
}

开启了新线程：Thread-0

注：

  • 直接调用线程的 run 方法并不能开启新线程
  • 调用线程的 start 方法才能成功开启新线程

多线程的内存布局

  • PC 寄存器（Program Counter Register）
    每一个线程都有自己的 PC 寄存器
  • Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）：
    每一个线程都有自己的 Java 虚拟机栈
  • 堆（Heap）
    多个线程共享堆
  • 方法区（Method Area）
    多个线程共享方法区
  • 本地方法栈（Native Method Stack）
    每一个线程都有自己的本地方法栈

线程的状态

可以通过Thread.getState方法获得线程的状态（线程一共有 6 种状态）

  • NEW（新建）：尚未启动
  • RUNNABLE（可运行状态）：正在JVM中运行
    或者正在等待操作系统的其他资源（比如处理器）
  • BLOKCED（阻塞状态）：正在等待监视器锁（内部锁）
  • WAITING（等待状态）：在等待另一个线程
    调用以下方法会处于等待状态
    • 没有超时值的 Object.wait
    • 没有超时值的 Thread.join
    • LockSupport.park
  • TIMED_WAITING（定时等待状态）
    调用以下方法会处于定时等待状态
    • Thread.sleep
    • 有超时值的 Object.wait
    • 有超时值的 Thread.join
    • LockSupport.parkNanos
    • LockSupport.parkUntil
  • TERMINATED（终止状态）：已经执行完毕

线程的状态切换：
在这里插入图片描述

sleep、interrupt

可以通过 Thread.sleep 方法暂停当前线程，进入WAITING状态；

在暂停期间，若调用线程对象的 interrupt 方法中断线程，会抛出 java.lang.InterruptedException 异常。

public static void main(String[] args)  {
	Thread thread = new Thread(() -> {
		try {
			Thread.sleep(3000); // 睡眠3s
		} catch (InterruptedException e) { // 捕捉到异常则输出
			System.out.println("interrupt");
		}
		System.out.println("end");
	});
	thread.start();
	try {
		Thread.sleep(1000);
	} catch (InterruptedException e) {} // 捕捉到异常什么也不做
	thread.interrupt();
}

interrupt
end

join、isAlive

A.join 方法：等线程 A 执行完毕后，当前线程再继续执行任务。可以传参指定最长等待时间。
A.isAlive 方法：查看线程 A 是否还活着。

public static void main(String[] args) {
	Thread t1 = new Thread(() -> {
	System.out.println("t1 - begin");
		try {
			Thread.sleep(2000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("t1 - end");
	});
	t1.start();

	Thread t2 = new Thread(() -> {
		System.out.println("t2 - begin");
		System.out.println("t1.isAlive - " + t1.isAlive());
		try {
			t1.join(); // 等待t1执行完成再继续往下执行
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("t1.state - " + t1.getState());
		System.out.println("t1.isAlive - " + t1.isAlive());
		System.out.println("t2 - end");
	});
	t2.start();
}

t1 - begin
t2 - begin
t1.isAlive - true
t1 - end
t1.state - TERMINATED
t1.isAlive - false
t2 - end

对比一下这两段代码细微的区别，t1.join(1000);

public static void main(String[] args) {
	Thread t1 = new Thread(() -> {
		System.out.println("t1 - begin");
		try {
			Thread.sleep(2000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("t1 - end");
	});
	t1.start();

	Thread t2 = new Thread(() -> {
		System.out.println("t2 - begin");
		System.out.println("t1.isAlive - " + t1.isAlive());
		try {
			t1.join(1000); // 等待t1 1s,但是t1 睡了2s,1s过去后t1 还没运行完
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("t1.state - " + t1.getState());
		System.out.println("t1.isAlive - " + t1.isAlive());
		System.out.println("t2 - end");
	});
	t2.start();
}

t1 - begin
t2 - begin
t1.isAlive - true
t1.state - TIMED_WAITING
t1.isAlive - true
t2 - end
t1 - end

线程安全问题

多个线程可能会共享（访问）同一个资源

  • 比如访问同一个对象、同一个变量、同一个文件

当多个线程访问同一块资源时，很容易引发数据错乱和数据安全问题，称为线程安全问题。

什么情况下会出现线程安全问题？

  • 多个线程共享同一个资源
  • 且至少有一个线程正在进行 写(write) 的操作

例如：存钱取钱过程
在这里插入图片描述
卖票过程
在这里插入图片描述

线程安全问题 – 错误示例

编写一个站台类：

public class Station implements Runnable {
	private int tickets = 100;
	/**
	 * 卖一张票
	 */
	public boolean saleTicket(){
		if(tickets < 1) return false; // 票卖完了，不卖了
		
		tickets--;
		
		String name = Thread.currentThread().getName();
		System.out.println(name + "卖了1张票，还剩" + tickets + "张");
		
		return tickets > 0;
	}
	@Override
	public void run() {
		while(saleTicket()); // 只要能卖票就一只卖
	}
}

public static void main(String[] args)  {
	Station station = new Station();
	for (int i = 1; i <= 4; i++) {
		Thread thread = new Thread(station);
		thread.setName("" + i);
		thread.start();
	}
}

会发现结果不是我们想要的，票数乱七八糟。

....
2卖了1张票，还剩47张
2卖了1张票，还剩45张
2卖了1张票，还剩44张
2卖了1张票，还剩43张
2卖了1张票，还剩42张
2卖了1张票，还剩41张
2卖了1张票，还剩40张
2卖了1张票，还剩39张
2卖了1张票，还剩38张
2卖了1张票，还剩37张
2卖了1张票，还剩36张
1卖了1张票，还剩47张
1卖了1张票，还剩34张
1卖了1张票，还剩33张
1卖了1张票，还剩32张
1卖了1张票，还剩31张
1卖了1张票，还剩30张
4卖了1张票，还剩46张
4卖了1张票，还剩28张
4卖了1张票，还剩27张
4卖了1张票，还剩26张
4卖了1张票，还剩25张
4卖了1张票，还剩24张
4卖了1张票，还剩23张
4卖了1张票，还剩22张
4卖了1张票，还剩21张
4卖了1张票，还剩20张
4卖了1张票，还剩19张
4卖了1张票，还剩18张
4卖了1张票，还剩17张
3卖了1张票，还剩47张
3卖了1张票，还剩15张
3卖了1张票，还剩14张
4卖了1张票，还剩16张
4卖了1张票，还剩12张
4卖了1张票，还剩11张
4卖了1张票，还剩10张
4卖了1张票，还剩9张
4卖了1张票，还剩8张
4卖了1张票，还剩7张
1卖了1张票，还剩29张
1卖了1张票，还剩5张
1卖了1张票，还剩4张
1卖了1张票，还剩3张
1卖了1张票，还剩2张
1卖了1张票，还剩1张
1卖了1张票，还剩0张
2卖了1张票，还剩35张
4卖了1张票，还剩6张
3卖了1张票，还剩13张

问题分析：
在这里插入图片描述

解决方案 - 线程同步

在这里插入图片描述

可以使用线程同步技术来解决线程安全问题

  • 同步语句（Synchronized Statement）
  • 同步方法（Synchronized Method）

线程同步 - 同步语句

将上面错误示例的代码修改成如下，则正确了。

public boolean saleTicket(){
	synchronized (this) {
		if(tickets < 1) return false;
		tickets--;
		String name = Thread.currentThread().getName();
		System.out.println(name + "卖了1张票，还剩" + tickets + "张");
		return tickets > 0;
	}
}

.....
1卖了1张票，还剩49张
1卖了1张票，还剩48张
1卖了1张票，还剩47张
1卖了1张票，还剩46张
1卖了1张票，还剩45张
1卖了1张票，还剩44张
4卖了1张票，还剩43张
4卖了1张票，还剩42张
4卖了1张票，还剩41张
4卖了1张票，还剩40张
4卖了1张票，还剩39张
3卖了1张票，还剩38张
3卖了1张票，还剩37张
3卖了1张票，还剩36张
3卖了1张票，还剩35张
3卖了1张票，还剩34张
3卖了1张票，还剩33张
3卖了1张票，还剩32张
3卖了1张票，还剩31张
3卖了1张票，还剩30张
3卖了1张票，还剩29张
3卖了1张票，还剩28张
3卖了1张票，还剩27张
3卖了1张票，还剩26张
3卖了1张票，还剩25张
3卖了1张票，还剩24张
3卖了1张票，还剩23张
3卖了1张票，还剩22张
3卖了1张票，还剩21张
3卖了1张票，还剩20张
3卖了1张票，还剩19张
3卖了1张票，还剩18张
2卖了1张票，还剩17张
2卖了1张票，还剩16张
2卖了1张票，还剩15张
2卖了1张票，还剩14张
2卖了1张票，还剩13张
2卖了1张票，还剩12张
2卖了1张票，还剩11张
2卖了1张票，还剩10张
2卖了1张票，还剩9张
2卖了1张票，还剩8张
2卖了1张票，还剩7张
2卖了1张票，还剩6张
2卖了1张票，还剩5张
2卖了1张票，还剩4张
2卖了1张票，还剩3张
2卖了1张票，还剩2张
2卖了1张票，还剩1张
2卖了1张票，还剩0张

synchronized(obj) 的原理：

  • 每个对象都有一个与它相关的内部锁（intrinsic lock）或者叫监视器锁（monitor lock）
  • 第一个执行到同步语句的线程可以获得 obj 的内部锁，在执行完同步语句中的代码后释放此锁
  • 只要一个线程持有了内部锁，那么其它线程在同一时刻将无法再获得此锁
    当它们试图获取此锁时，将会进入BLOCKED状态。

多个线程访问同一个 synchronized(obj) 语句时

  • obj 必须是同一个对象，才能起到同步的作用。

线程同步 - 同步方法

public synchronized boolean saleTicket(){
		if(tickets < 1) return false;
		tickets--;
		String name = Thread.currentThread().getName();
		System.out.println(name + "卖了1张票，还剩" + tickets + "张");	
		return tickets > 0;
}

synchronized 不能修饰构造方法

同步方法的本质

  • 实例方法：synchronized (this)
  • 静态方法：synchronized (Class对象)

同步语句比同步方法更灵活一点

  • 同步语句可以精确控制需要加锁的代码范围

使用了线程同步技术后

  • 虽然解决了线程安全问题，但是降低了程序的执行效率
  • 所以在真正有必要的时候，才使用线程同步技术

单例模式（懒汉式）改进

public class Rocket {
	private static Rocket instance = null;
	private Rocket() {}
	public static synchronized Rocket getInstance(){
		if(instance == null){
			instance = new Rocket();
		}
		return instance;
	}
}

几个常用类的细节

动态数组：

  • ArrayList：非线程安全
  • Vector：线程安全

动态字符串：

  • StringBuilder：非线程安全
  • StringBuffer：线程安全

映射（字典）:

  • HashMap：非线程安全
  • Hashtable：线程安全

死锁（Deadlock）

什么是死锁？

  • 两个或者多个线程永远阻塞，相互等待对方的锁

死锁示例1

以下代码会造成死锁：

  • 第一个进程获得了 “1” 的同步锁，又想要获得 “2” 的同步锁
  • 第二个进程获得了 “2” 的同步锁，想要获得进程 “1” 的同步锁
  • 第一个进程和第二个进程互相等待对方释放，谁也不会主动释放，造成了死锁。
public static void main(String[] args)  {
	new Thread(() -> {
		synchronized ("1") { // 进程1获得了 "1" 的同步锁
			System.out.println("1 - 1");
			try{
				Thread.sleep(100);
			} catch (Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}
			synchronized ("2") { // 进程1想要获得 "2" 的同步锁
				System.out.println("1 - 2");
			}
		}
	}).start();;
	
	new Thread(() -> {
		synchronized ("2") { // 进程2获得了 "2" 的同步锁
			System.out.println("2 - 1");
			try {
				Thread.sleep(100);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			synchronized ("1") { // 进程2想要获得 "1" 的同步锁
				System.out.println("2 - 2");
			}
		}
	}).start();;
}

死锁示例2

class Person{
	private String name;
	public Person(String name){
		this.name = name;
	}
	public synchronized void hello(Person p){
		System.out.format("[%s] hello to [%s]%n", name, p.name);
		p.smile(this);
	}
	public synchronized void smile(Person p){
		System.out.format("[%s] smile to [%s]%n", name, p.name);
	}
}

public class Deadlock {
	public static void main(String[] args) {
		Person jack = new Person("Jack");
		Person rose = new Person("Rose");
		new Thread(() -> {
			jack.hello(rose);
		}).start();;
		new Thread(() -> {
			rose.hello(jack);
		}).start();;
	}
}

线程间通信

可以使用 Object.wait、Object.notify、Object.notifyAll 方法实现线程之间的通信

若想在线程 A 中成功调用 obj.wait、obj.notify、obj.notifyAll 方法

  • 线程 A 必须要持有 obj 的内部锁

obj.wait ：释放 obj 的内部锁，当前线程进入WAITING 或 TIMED_WAITING 状态

obj.notifyAll：唤醒所有因为 obj.wait 进入WAITING 或 TIMED_WAITING 状态的线程

obj.notify：随机唤醒 1 个因为 obj.wait 进入WAITING 或 TIMED_WAITING 状态的线程

线程间通信 - 生产者消费者模型

  • Drop：食品
  • Consumer`：消费者
  • Producer：生产者
  • main：测试类
package com.yu;
/**
 * @author yusael
 */
public class Drop {
	private String food;
	// empty为true代表：消费者需要等待生产者生产食品
	// empty为false代表：食品生产完毕，生产者要等待消费者消化完食品
	private boolean empty = true;
	
	/**
	 * get方法在消费者线程中执行
	 * @return
	 */
	public synchronized String get(){
		while(empty){
			try {
				wait();
			} catch (InterruptedException e) {}
		}
		
		empty = true;
		notifyAll();
		return food;
	}
	
	/**
	 * add方法在生产者线程中执行
	 * @param food
	 */
	public synchronized void add(String food){
		while(!empty){
			try {
				wait();
			} catch (InterruptedException e) {}
		}
		
		empty = false;
		this.food = food;
		notifyAll();
	}
	
}

package com.yu;
/**
 * 生产者
 * @author yusael
 */
public class Consumer implements Runnable {
	private Drop drop;
	public Consumer(Drop drop) {
		this.drop = drop;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		String food = null;
		
		while((food = drop.get()) != null){
			System.out.format("消费者接收到生产者生产的食物：%s%n", food);
			try {
				Thread.sleep(1000); // 消费者吃食物2秒
			} catch (InterruptedException e) {}
		}
		
	}

}

package com.yu;
/**
 * 消费者
 * @author yusael
 */
public class Producer implements Runnable {
	private Drop drop;
	public Producer(Drop drop) {
		this.drop = drop;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		String foods[] = {"beef", "bread", "apple", "cookie"};
		
		for (int i = 0; i < foods.length; i++) {
			try {
				Thread.sleep(1000); // 生产者生产食物2秒
			} catch (InterruptedException e) {}
			// 将foods[i]传递给消费者
			drop.add(foods[i]);
		}
		// 告诉消费者：不会再生产任何东西了
		drop.add(null);
	}

}

package com.yu;

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		Drop drop = new Drop();
		(new Thread(new Consumer(drop))).start(); // 开启消费者线程
		(new Thread(new Producer(drop))).start(); // 开启生产者线程
		
	}
}

消费者接收到生产者生产的食物：beef
消费者接收到生产者生产的食物：bread
消费者接收到生产者生产的食物：apple
消费者接收到生产者生产的食物：cookie

ReentrantLock（可重入锁）

ReentrantLock ，译为“可重入锁”，也被称为“递归锁”

  • 类的全名是：java.util.concurrent.locks.ReentrantLock
  • 具有跟同步语句、同步方法（synchronized）一样的一些基本功能，但功能更加强大

什么是可重入（rerntrant）？

  • 同一个线程可以重复获取同一个锁
  • 其实 synchronized 也是可重入的
public static void main(String[] args) {
	synchronized ("1") {
		synchronized("1"){
			System.out.println("synchronized是可重入锁");
		}
	}
}

该例获取了两次 “1” 的内部锁，仍然可以执行，在有的语言中是不允许这样，那就不是可重入锁。

lock、trylock

ReentrantLock.lock：获取此锁

  • 如果此锁没有被另一个线程持有，则将锁的持有计数设为 1，并且此方法立即返回
  • 如果当前线程已经持有此锁，则将锁的持有计数加 1，并且此方法立即返回
  • 如果此锁被另一个线程持有，并且在获得锁之前，此线程将一直处于休眠状态（相当于wait），此时锁的持有计数被设为 1

ReentrantLock.tryLock：仅在锁未被其他线程持有的情况下，才获取此锁

  • 如果此锁没有被另一个线程持有，则将锁的持有计数设为 1，并且此方法立即返回 true
  • 如果当前线程已经持有此锁，则将锁的持有计数加 1，并且此方法立即返回 true。
  • 如果此锁被另一个线程持有，则此方法立即返回 false

ReentrantLock.unlock：尝试释放此锁

  • 如果当前线程持有此锁，则将持有计数减 1
  • 如果持有计数现在为 0，则释放此锁
  • 如果当前线程没有持有此锁，则抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException

ReentrantLock.isLocked：查看此锁是否被任意线程持有

ReentrantLock 在卖票示例中的使用

package com.mj;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Station implements Runnable {
	private int tickets = 50;
	// ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 两个都行
	Lock lock = new ReentrantLock();
	
	/**
	 * 卖一张票
	 */
	public boolean saleTicket(){
		lock.lock();
		try{
			if(tickets < 1) return false;
			tickets--;
			
			String name = Thread.currentThread().getName();
			System.out.println(name + "卖了1张票，还剩" + tickets + "张");
			
			return tickets > 0;
		}finally {
			lock.unlock();
		}
	}
	
	@Override
	public void run() {
		while(saleTicket());
	}
	
}

ReentrantLock – tryLock使用注意

Lock lock = new ReentrantLock();
new Thread(() -> {
	try {
		lock.lock();
		System.out.println("1");
		Thread.sleep(1000);
	} catch (InterruptedException e) {
		e.printStackTrace();
	} finally {
		lock.unlock();
	}
}).start();

Lock lock = new ReentrantLock();
new Thread(() -> {
	boolean locked = false;
	try{
		locked = lock.tryLock();
		System.out.println("2");
	} finally {
		if(locked)
			lock.unlock();
	}
}).start();

线程池（Thread Pool）

线程对象占用大量内存，在大型应用程序中，频繁地创建和销毁线程对象会产生大量内存管理开销。

使用线程池可以最大程度地减少线程创建、销毁所带来的开销。

线程池由 工作线程（Worker Thread） 组成

  • 普通线程：执行完一个任务后，生命周期就结束了。
  • 工作线程：可以执行多个任务（任务没来就一直等，任务来了就干活）；
    先将任务添加到队列（Queue）中，再从队列中取出任务提交到池中。

常用的线程池类型是固定线程池（Fixed Thread Pool）

  • 具有固定数量的正在运行的线程

线程池简单使用：

public static void main(String[] args)  {
	// 创建拥有5条工作线程的固定线程池
	ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
	// 执行任务
	pool.execute(() -> {
		// Thread[pool-1-thread-1,5,main]
		System.out.println(Thread.currentThread());
	});
	pool.execute(() -> {
		// Thread[pool-1-thread-2,5,main]
		System.out.println(Thread.currentThread());
	});
	pool.execute(() -> {
		// Thread[pool-1-thread-3,5,main]
		System.out.println(Thread.currentThread());
	});
	// 关闭线程池
	pool.shutdown();
}
Jerry Low
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