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一、多线程概述
参考:https://www.cnblogs.com/zsql/p/11144688.html
进程与线程
进程与线程的区别
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线程是程序执行的最小单位,而进程是操作系统分配资源的最小单位
-
一个进程由一个或多个线程组成,线程是一个进程中代码的不同执行路线
-
进程之间相互独立,但同一进程下的各个线程之间共享程序的内存空间 (包括代码段,数据集,堆等) 及一些进程级的资源(如打开文件和信号等),某进程内的线程在其他进程不可见
-
调度和切换:线程上下文切换比进程上下文切换要快得多
线程(栈+PC+TLS)
-
栈:用于存储该线程的局部变量,这些局部变量是该线程私有的,除此之外还用来存放线程的调用栈祯。
我们通常都是说调用堆栈,其实这里的堆是没有含义的,调用堆栈就是调用栈的意思。
那么我们的栈里面有什么呢?
我们从主线程的入口main函数,会不断的进行函数调用,
每次调用的时候,会把所有的参数和返回地址压入到栈中。 -
PC:是一块内存区域,用来记录线程当前要执行的指令地址 。
Program Counter 程序计数器,操作系统真正运行的是一个个的线程,
而我们的进程只是它的一个容器。PC就是指向当前的指令,而这个指令是放在内存中。
每个线程都有一串自己的指针,去指向自己当前所在内存的指针。
计算机绝大部分是存储程序性的,说的就是我们的数据和程序是存储在同一片内存里的
这个内存中既有我们的数据变量又有我们的程序。所以我们的PC指针就是指向我们的内存的。 -
缓冲区溢出
例如我们经常听到一个漏洞:缓冲区溢出
这是什么意思呢?
例如:我们有个地方要输入用户名,本来是用来存数据的地方。
然后黑客把数据输入的特别长。这个长度超出了我们给数据存储的内存区,这时候跑到了
我们给程序分配的一部分内存中。黑客就可以通过这种办法将他所要运行的代码
写入到用户名框中,来植入进来。我们的解决方法就是,用用户名的长度来限制不要超过
用户名的缓冲区的大小来解决。 -
TLS:
全称:thread local storage
之前我们看到每个进程都有自己独立的内存,这时候我们想,我们的线程有没有一块独立的内存呢?答案是有的,就是TLS。
可以用来存储我们线程所独有的数据。
可以看到:线程才是我们操作系统所真正去运行的,而进程呢,则是像容器一样他把需要的一些东西放在了一起,而把不需要的东西做了一层隔离,进行隔离开来。
并行与并发
并发:是指同一个时间段
内多个任务同时都在执行,并且都没有执行结束。并发任务强调在一个时间段内同时执行,而一个时间段由多个单位时间累积而成,所以说并发的多个任务在单位时间内不一定同时在执行 。
并行:同一时刻
上多个任务同时在执行 。
在多线程编程实践中,线程的个数往往多于CPU的个数,所以一般都称多线程并发编程而不是多线程并行编程。
线程安全问题
多个线程同时操作共享变量1
时,会出现线程1更新共享变量1的值,但是其他线程获取到的是共享变量没有被更新之前的值。就会导致数据不准确问题。
共享内存不可见性问题
- Java 内存模型规定,将所有的变量都存放在主内存中,当线程使用变量时,会把主内存里面的变量复制到自己的工作空间或者叫作工作内存,线程读写变量时操作的是自己工作内存中的变量 。(如下图所示)
上图中所示是一个双核 CPU 系统架构,每个核有自己的控制器和运算器,其中控制器包含一组寄存器和操作控制器,运算器执行算术逻辅运算。CPU的每个核都有自己的一级缓存,在有些架构里面还有一个所有CPU都共享的二级缓存。 那么Java内存模型里面的工作内存,就对应这里的 Ll或者 L2 缓存或者 CPU 的寄存器
-
线程A首先获取共享变量X的值,由于两级Cache都没有命中,所以加载主内存中X的值,假如为0。然后把X=0的值缓存到两级缓存,线程A修改X的值为1,然后将其写入两级Cache,并且刷新到主内存。线程A操作完毕后,线程A所在的CPU的两级Cache内和主内存里面的X的值都是1。
-
线程B获取X的值,首先一级缓存没有命中,然后看二级缓存,二级缓存命中了,所以返回X=1;到这里一切都是正常的,因为这时候主内存中也是X=l。然后线程B修改X的值为2,并将其存放到线程2所在的一级Cache和共享二级Cache中,最后更新主内存中X的值为2,到这里一切都是好的。
-
线程A这次又需要修改X的值,获取时一级缓存命中,并且X=l这里问题就出现了,明明线程B已经把X的值修改为2,为何线程A获取的还是l呢?这就是共享变量的内存不可见问题,也就是线程B写入的值对线程A不可见。
synchronized 的内存语义:
这个内存语义就可以解决共享变量内存可见性问题。进入synchronized块的内存语义是把在synchronized块内使用到的变量从线程的工作内存中清除,这样在synchronized块内使用到该变量时就不会从线程的工作内存中获取,而是直接从主内存中获取。退出synchronized块的内存语义是把在synchronized块内对共享变量的修改刷新到主内存。会造成上下文切换的开销,独占锁,降低并发性
Volatile的理解:
该关键字可以确保对一个变量的更新对其他线程马上可见。当一个变量被声明为volatile时,线程在写入变量时不会把值缓存在寄存器或者其他地方,而是会把值刷新回主内存。当其他线程读取该共享变量时-,会从主内存重新获取最新值,而不是使用当前线程的工作内存中的值。volatile的内存语义和synchronized有相似之处,具体来说就是,当线程写入了volatile变量值时就等价于线程退出synchronized同步块(把写入工作内存的变量值同步到主内存),读取volatile变量值时就相当于进入同步块(先清空本地内存变量值,再从主内存获取最新值)。不能保证原子性
二、实现多线程
方式1:继承Thread类
需求:我们要实现多线程的程序。 如何实现呢?
由于线程是依赖进程而存在的,所以我们应该先创建一个进程出来。
而进程是由系统创建的,所以我们应该去调用系统功能创建一个进程。
Java是不能直接调用系统功能的,所以,我们没有办法直接实现多线程程序。 但是呢? Java可以去调用C / C++写好的程序来实现多线程程序。
由C/C++去调用系统功能创建进程,然后由Java去调用这祥的API, 然后提供一些类供我们使用。我们就可以实现多线程程序了。
那么Java提供的类是什么呢?
- Thread类
步骤 - A : 自定义类
MyThread
继承Thread
- B : 重写run () 方法
- 为什么是run ()方法呢?
- C :创建对象
- D : 启动线程
注意:单独调用 run() 方法其实和调用一个类的普通方法是没有区别的,要想启动线程实际上应该调用的是 start() 方法,这是为什么呢?
start() 和 run() 的区别?
- start() :
使该线程开始执行;Java 虚拟机调用该线程的 run() 方法。
用start方法来启动线程,真正实现了多线程运行,这时无需等待run方法体中的代码执行完毕而直接继续执行后续的代码。通过调用Thread类的 start()方法来启动一个线程,这时此线程处于就绪(可运行)状态,并没有运行,一旦得到cpu时间片,就开始执行run()方法,这里的run()方法 称为线程体,它包含了要执行的这个线程的内容,Run方法运行结束,此线程随即终止。
- run() :
如果该线程是使用独立的 Runnable 运行对象构造的,则调用该 Runnable 对象的 run 方法;否则,该方法不执行任何操作并返回
。
Thread 的子类应该重写该方法。
run()方法只是类的一个普通方法而已,如果直接调用Run方法,程序中依然只有主线程这一个线程,其程序执行路径还是只有一条,还是要顺序执行
,还是要等待run方法体执行完毕后才可继续执行下面的代码,这样就没有达到写线程的目的。
总结:
两个小问题
- 为什么要重写 run()方法?
- 因为run()是用来封装被线程执行的代码
- run() 方法和 start() 方法的区别?
- run():封装线程执行的代码,直接调用,相当于普通方法的调用
- start():启动线程;然后由
JVM调用
此线程的run()方法
创建自定义线程代码:
//定义一个线程类
public class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
for(int i=0; i<100; i++) {
System.out.println(i);
}
}
}
//调用方法执行线程
public class MyThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
MyThread my1 = new MyThread();
MyThread my2 = new MyThread();
// my1.run();
// my2.run();
//void start() 导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法
my1.start();
匿名内部类的方式创建一个线程
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("多线程");
}
}).start();
获取和设置线程对象名称
//void setName(String name):将此线程的名称更改为等于参数 name
my1.setName("高铁");
my2.setName("飞机");
//Thread(String name)
MyThread my1 = new MyThread("高铁");
MyThread my2 = new MyThread("飞机");
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
线程优先级
线程控制
等待线程死亡
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
ThreadDemo th1=new ThreadDemo();
ThreadDemo th2=new ThreadDemo();
ThreadDemo th3=new ThreadDemo();
th1.setName("康熙");
th2.setName("四阿哥");
th3.setName("八阿哥");
th1.start();
try {
th1.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//下面的两个线程会等待康熙线程死亡以后才开始执行
th2.start();
th2.start();
}
}
守护线程
th1.setName("刘备");
th2.setName("张飞");
th3.setName("关羽");
th2.setDaemon(true);
th3.setDaemon(true);
th2.start();
th3.start();
th1.start();
//th2、th3 在th1死亡时,也会跟着死亡
礼让线程
/*
* public static void yield():暂停当前正在执行的线程对象,并执行其他线程。
* 让多个线程的执行更和谐,但是不能靠它保证一人一次。
*/
public class ThreadYield extends Thread{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++){
System.out.println(getName() + ":" + i);
Thread.yield();//暂停当前正在执行的线程对象
}
}
}
public class TreadDemo {
public static void main(String[] args) {
ThreadYield th1 = new ThreadYield();
ThreadYield th2 = new ThreadYield();
th1.setName("呵呵");
th2.setName("哈哈");
th1.start();
th2.start();
}
}
JOJO:0
林青霞:0
JOJO:1
林青霞:1
JOJO:2
林青霞:2
JOJO:3
林青霞:3
JOJO:4
林青霞:4
JOJO:5
林青霞:5
JOJO:6
林青霞:6
JOJO:7
林青霞:7
林青霞:8
JOJO:8
林青霞:9
JOJO:9
林青霞:10
JOJO:10
林青霞:11
JOJO:11
林青霞:12
JOJO:12
林青霞:13
林青霞:14
JOJO:13
林青霞:15
JOJO:14
JOJO:15
林青霞:16
JOJO:16
林青霞:17
JOJO:17
JOJO:18
林青霞:18
JOJO:19
林青霞:19
Process finished with exit code 0
中断线程
stop() 中断线程很暴力,后面的程序都不走了
public boolean isInterrupted()
public void interrupt()
public static boolean interrupted()
线程的生命周期
方式2:实现Runnable接口
多线程的实现方案有两种
- 继承 Thread类
- 实现 Runnable接口
相比继承 Thread类,实现Runnable接口的好处 - 避免了 Java单继承的局限性
- 适合多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况,把线程和程序的代码、数据有效分离,较好的体现了面向对象的设计思想
MyRunnable runnable = new MyRunnable();
Thread th1 = new Thread(runnable,"线程一");
Thread th2 = new Thread(runnable,"线程二");
th1.start();
th2.start();
/**
* 自定义runnable接口,
*/
public class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("自定义runnable接口下的run()方法执行了...");
}
}
方式3:实现Callable接口,线程池
参考文章:https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3949310.html
https://blog.csdn.net/zsj777/article/details/85089993
https://blog.csdn.net/meng19910117/article/details/81043988
创建线程的2种方式,一种是直接继承Thread,另外一种就是实现Runnable接口。
这2种方式都有一个缺陷就是:在执行完任务之后无法获取执行结果。
如果需要获取执行结果,就必须通过共享变量或者使用线程通信的方式来达到效果,这样使用起来就比较麻烦。
我的理解:
- Callable
Callable类似于Runnable,只不过Callable中要实现的方法是有返回值结果的,也就线程执行完任务后是会有一个结果返回给用户看的噢。
public interface Runnable {
public abstract void run();
}
public interface Callable<V> {
/**
* Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
*
* @return computed result
* @throws Exception if unable to compute a result
*/
V call() throws Exception;
}
- ExecutorService
ExecutorService,是用来把线程跑起来的服务,下面是该接口中声明的一些方法,可见它支持很多重载方式去将一个可以执行的任务跑起来,而且返回值都是 Future 类型,那么Future是干啥的呢?
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);
- Future
Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法
获取执行结果,该方法会阻塞直到任务返回结果。
简言之,Future可以控制和查看任务的执行进度、还可以获取任务的结果,这不就是我们实现Callable想要的嘛~我们就是想获得结果呀!
public interface Future<V> {
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
boolean isCancelled();
boolean isDone();
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
-
FutureTask
因为Future
只是一个接口,所以是无法直接用来创建对象使用的,因此就有了下面的实现类FutureTask
。一个FutureTask
可以用来包装一个Callable
或是一个runnable
对象。因为FurtureTask
实现了Runnable
方法,所以一个FutureTask
可以提交(submit)给一个Excutor
执行(excution).如上提供了两个构造函数,一个以Callable为参数,另外一个以Runnable为参数。这些类之间的关联对于任务建模的办法非常灵活,允许你基于FutureTask的Runnable特性(因为它实现了Runnable接口),把任务写成Callable,然后封装进一个由执行者调度并在必要时可以取消的FutureTask。
FutureTask可以由执行者调度,这一点很关键。它对外提供的方法基本上就是Future和Runnable接口的组合:get()、cancel、isDone()、isCancelled()和run(),而run()方法通常都是由执行者调用,我们基本上不需要直接调用它。
总结:
- Callable和Runnable差不多,但是任务执行时有返回值有最后的结果。
- ExecutorService 是执行者,会帮我们去调用任务噢
- Future 是接口,可以操控线程任务获取一些东西,
- FutureTask是Future的实现类,可以实例化,实例化时可以以Callable、Runnable为参数,还可以在执行者带动下跑起任务来,还可以跑起来后观察这个线程任务、还可以从中获得些结果。
public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
sync = new Sync(callable);
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
sync = new Sync(Executors.callable(runnable, result));
}
一个Callable、Future、ExecutorService联合的例子
实现Callable接口
package com.ps.learn.socketio.service;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* 自定义一个任务类,实现Callable接口
*/
public class MyCallableClass implements Callable<String> {
// 标志位
private AtomicInteger flag = new AtomicInteger(0);
public AtomicInteger getFlag() {
return flag;
}
public void setFlag(AtomicInteger flag) {
this.flag = flag;
}
public String call() throws Exception {
if (this.flag.get() == 0) {
// 如果flag的值为0,则立即返回
return "flag = 0";
}
if (this.flag.get() == 1) {
// 如果flag的值为1,做一个无限循环
try {
while (true) {
System.out.println("looping......");
//sleep 中断当前线程
Thread.sleep(2000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "false";
} else {
// falg不为0或者1,则抛出异常
throw new Exception("Bad flag value!");
}
}
}
程序启动类
package com.ps.learn.socketio.service;
/**
* Author:ZhuShangJin
* Date:2018/12/19
*/
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* Callable 和 Future接口
* Callable是类似于Runnable的接口,实现Callable接口的类和实现Runnable的类都是可被其它线程执行的任务。
* Callable和Runnable有几点不同:
* (1)Callable规定的方法是call(),而Runnable规定的方法是run().
* (2)Callable的任务执行后可返回值,而Runnable的任务是不能返回值的。
* (3)call()方法可抛出异常,而run()方法是不能抛出异常的。
* (4)运行Callable任务可拿到一个Future对象, Future表示异步计算的结果。
* 它提供了检查计算是否完成的方法,以等待计算的完成,并检索计算的结果。
* 通过Future对象可了解任务执行情况,可取消任务的执行,还可获取任务执行的结果。
*/
public class CallableAndFuture {
public static void main(String[] args) {
// 定义3个Callable类型的任务
MyCallableClass task1 = new MyCallableClass();
task1.setFlag(new AtomicInteger(0));
MyCallableClass task2 = new MyCallableClass();
task2.setFlag(new AtomicInteger(1));
MyCallableClass task3 = new MyCallableClass();
task3.setFlag(new AtomicInteger(2));
// 创建一个执行任务的服务
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(3);
try {
// 提交并执行任务,任务启动时返回了一个Future对象,
// 如果想得到任务执行的结果或者是异常可对这个Future对象进行操作
Future future1 = es.submit(task1);
// 获得第一个任务的结果,如果调用get方法,当前线程会等待任务执行完毕后才往下执行
System.out.println("task1: " + future1.get());
//
Future future2 = es.submit(task2);
// 等待5秒后,再停止第二个任务。因为第二个任务进行的是无限循环
Thread.sleep(5000);
System.out.println("task2 cancel: " + future2.cancel(true));
// 获取第三个任务的输出,因为执行第三个任务会引起异常
// 所以下面的语句将引起异常的抛出
Future future3 = es.submit(task3);
System.out.println("task3: " + future3.get());
} catch (Exception e) {
//捕获异常
e.printStackTrace();
}
// 停止任务执行服务
es.shutdownNow();
}
}
FutureTask执行多任务计算的使用场景
利用FutureTask和ExecutorService,可以用多线程的方式提交计算任务,主线程继续执行其他任务,当主线程需要子线程的计算结果时,在异步获取子线程的执行结果。
public class FutureTest1 {
public static void main(String[] args) {
Task task = new Task();// 新建异步任务
FutureTask<Integer> future = new FutureTask<Integer>(task) {
// 异步任务执行完成,回调
@Override
protected void done() {
try {
System.out.println("future.done():" + get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
// 创建线程池(使用了预定义的配置)
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
executor.execute(future);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e1) {
e1.printStackTrace();
}
// 可以取消异步任务
// future.cancel(true);
try {
// 阻塞,等待异步任务执行完毕-获取异步任务的返回值
System.out.println("future.get():" + future.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 异步任务
static class Task implements Callable<Integer> {
// 返回异步任务的执行结果
@Override
public Integer call() throws Exception {
int i = 0;
for (; i < 10; i++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "_"
+ i);
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return i;
}
}
}
三、线程安全问题
安全问题出现的条件
- 是多线程环境
- 有共享数据
- 有多条语句操作共享数据
同步的好处和弊端
- 好处:解决了多线程的数据安全问题
- 弊端:当线程很多时,因为每个线程都会去判断同步上的锁,这是很耗费资源的,无形中会降低程序的运行效率
怎么实现呢 ?
- 把多条语句操作共享数据的代码给锁起来,让任意时刻只能有一个线程执行即可
- Java 提供了同步代码块的方式来解决
synchronized
方式一:synchronized 同步代码块
Object obj=new Object();
synchronized (obj) {
多条语句操作共享数据的代码
}
Lock类
方式二:Lock类
- Lock是接口不能直接实例化,这里采用它的实现类
ReentrantLock
来实例化 - 使用
try....finally
代码块来包裹
private int ticket=100;
private Lock lock=new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
lock.lock();
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票" + ticket);
ticket--;
}
}finally {
lock.unlock();
}
线程安全的集合
回顾:StringBuffer、Vector、Hashtable集合
四、练习案例
两种匿名内部类方式创建线程
public class TreadDemo02 {
public static void main(String[] args) {
// 继承Thread类实现多线程
new Thread(){
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i<20;i++){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Thread : " + i);
}
}
}.start();
// 实现Runnable接口实现多线程
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i<20;i++){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Runnable : " + i);
}
}
}){
//thread子类
}.start();
}
}
简单面试题 01
1:多线程有几种实现方案,分别是哪几种?
两种。
继承Thread类
实现Runnable接口
扩展一种:实现Callable接口。这个得和线程池结合。
2:同步有几种方式,分别是什么?
两种。
同步代码块
同步方法
3:启动一个线程是run()还是start()?它们的区别?
start();
run():封装了被线程执行的代码,直接调用仅仅是普通方法的调用
start():启动线程,并由JVM自动调用run()方法
4:sleep()和wait()方法的区别
sleep():必须指时间;不释放锁。
wait():可以不指定时间,也可以指定时间;释放锁。
5:为什么wait(),notify(),notifyAll()等方法都定义在Object类中
因为这些方法的调用是依赖于锁对象的,而同步代码块的锁对象是任意锁。
而Object代码任意的对象,所以,定义在这里面。
回顾集合和IO的面试题
集合:
1: HashMap和Hashtable的区别。
2:Collection 和 Collections的区别。
3: List, Set, Map是否继承自Collection接口?
4:说出ArrayList,Vector, LinkedList的存储性能和特性?
5:你所知道的集合类都有哪些?主要方法?
IO:
1: java中有几种类型的流?JDK为每种类型的流提供了一些抽象类以供继承,请说出他们分别是哪些类?
2:什么是java序列化,如何实现java序列化?