【Java高级编程】多线程

1、基本概念：程序、进程、线程

1.1、程序

• 概念：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。

1.2、进程

• 概念：程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。
• 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。

1.3、线程

• 概念：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。
• 每个线程，拥有自己独立的：虚拟机栈、程序计数器
• 多个线程，共享同一个进程中的结构：方法区、堆

1.4、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。但是因为CPU时间单元特别短，因此感觉不出来。
• 如果是多核的话，才能更好的发挥多线程的效率。
• 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。

1.5、并行与并发

• 并行：多个CPU同时执行多个任务。
• 并发：一个CPU（采用时间片）同时执行多个任务。

1.6、使用多线程的优点

• 背景：以单个CPU为例，只使用单个线程先后完成多个任务（调用多个方法），肯定比用多个线程来完成用的时间更短，为何仍需多线程呢？
• 多线程程序的优点：
  • 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

1.7、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。

2、线程的创建和使用

2.1、创建多线程的方式一：继承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类的子类的对象
• 4、通过此对象调用start()，start()的作用：
  • 1、启动当前线程
  • 2、调用当前线程的run()

//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(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()
        t1.start();

        // 或者通过创建Thread类的匿名子类的方式
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 100; i++) {
                    if (i % 2 == 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
                    }
                }
            }
        }.start();
    }
}

• 注意点1：我们不能通过直接调用run()的方式启动线程
• 注意点2：再启动一个线程需要重新创建一个线程的对象，不可以让已经start()的线程再start()，否则会报IllegalThreadStateException异常

2.2、Thread类的有关方法

• void start():启动当前线程，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
• String getName():获取当前线程的名字
• void setName(String name):设置当前线程的名字
• static Thread currentThread():静态方法，获取执行当前代码的线程
• static void yield():释放当前CPU的执行权
• 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
• 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。
• stop():已过时。当执行此方法时，强制结束当前线程。
• boolean isAlive():判断当前线程是否存活

2.3、线程的调度

• 调度策略
  • 时间片
  • 抢占式：高优先级的线程抢占CPU
• Java的调度方法
  • 同优先级线程组成先进先出队列，使用时间片策略
  • 对高优先级，使用优先调度的抢占式策略

2.4、线程的优先级

• 线程的优先等级
  • MAX_PRIORITY:10
  • MIN_PRIORITY:1
  • NORM_PRIORITY:5 --> 默认优先级
• 涉及的方法
  • getPriority():获取线程的优先级
  • setPriority(int newPriority):设置线程的优先级
• 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度

2.5、创建多线程的方式二：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()

//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(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);
        //5、通过Thread类的对象调用start():启动线程，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
        Thread t2 = new Thread(mThread);
        t2.start();
    }
}

2.6、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
  • 1、实现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 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

3、线程的生命周期

graph LR
A(新建) --> |"调用start()"| B(就绪)
B --> |"获取CPU执行权"| C(运行)
C --> |"执行完run();调用线程的stop();出现Error/Exception且没有处理"| D(死亡)
C --> |"失去CPU执行权或yield()"| B
C --> |"sleep(long time);join();等待同步锁;wait();suspend()"| E(阻塞)
E --> |"sleep()时间到;join()结束;获取同步锁;notify()/notifyAll();resume()"| B

4、线程的同步

4.1、线程同步方式一：同步代码块

synchronized(同步监视器) {
    // 需要被同步的代码
}

• 1、操作共享数据的代码，即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。任何一个类的对象，都可以充当锁。
  • 要求：多个线程必须要共用同一把锁。
• 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

public class Window1 implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //正确，只要保证多个线程使用同一个对象当做锁即可
            // synchronized (obj) {
            // 此时的this：唯一的Window1的对象
            synchronized (this) {
                if (ticket > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

public class Window2 extends Thread{
    private static int ticket = 100;
    private static Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //正确
            // synchronized (obj) {
            // 错误，因为通过继承Thread方式，需要通过不同的对象来创建线程
            // 此时的this代表着不同的对象 
            // synchronized (this) {
            // 正确，Class clazz = Window2.class，Window2.class只会加载一次
            synchronized (Window2.class) {
                if (ticket > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

• 好处：同步的方式，解决了线程的安全问题。
• 局限性：操作同步代码时，只能有一个线程参与，其他线程等待。相当于一个单线程的过程，效率低。

4.2、线程同步方式二：同步方法

• 同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式的声明。
• 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

public 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
        if (ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

public class Window4 extends Thread {
    private static int ticket = 100;

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

    private static synchronized void show () {//同步监视器：Window4.class
        if (ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

4.3、设计模式：单例模式

// 饿汉式
class Bank {
	// 1、私有化类的构造器
	private Bank() {}
	// 2、内部创建类的对象
	// 4、要求此对象也必须声明为静态的
	private static Bank instance = new Bank();
	// 3、提供公共的静态的方法，返回类的对象
	public static Bank getInstance() {
		return instance;
	}
}

// 懒汉式方式一：同步方法
class Order {
	// 1、私有化类的构造器
	private Order() {}
	// 2、声明当前类对象，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的返回当前类对象的方法
	public static synchronized Order getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new Order();
		}
		return instance;
	}
}

// 懒汉式方式二：同步代码块
class Order {
	// 1、私有化类的构造器
	private Order() {}
	// 2、声明当前类对象，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的返回当前类对象的方法
	public static Order getInstance() {
    // 方式一：效率稍差
    // synchronized (Order.class) {
    //     if (instance == null) {
    // 	    instance = new Order();
    //     }
    //     return instance;
    // }
    // 方式二：效率更高
    if (instance == null) {
      synchronized (Order.class) {
        if (instance == null) {
            instance = new Order();
        }
      }
    }
		return instance;
	}
}

4.4、线程的死锁问题

• 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

4.5、线程同步方式三：Lock（锁）

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() + ":" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            } finally {
                // 3、调用解锁方法：unlock()
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

• 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(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 --> 同步方法

5、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，就唤醒优先级高的线程。
  • notifyAll()：一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程

• 说明：

  • wait()，notify()，notifyAll()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

6、JDK5.0新增线程创建方式

6.1、新增方式一：实现Callable接口

• 与使用Runnable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
• Future接口
  • 可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
  • FutrueTask是Futrue接口的唯一实现类
  • FutrueTask同时实现了Runnable，Future接口。它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值

// 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 (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

6.2、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。
• 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
• 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
  • Future submit(Callable task)：执行任务，有返回值，一般用来执行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
  • Executors.newCachedThreadPool()：创建一个可根据需要创建新线程的线程池
  • Executors.newFixedThreadPool(n)：创建一个可重用固定线程数的线程池
  • Executors.newSingleThreadPool()：创建一个只有一个线程的线程池
  • Executors.newScheduledThreadPool(n)：创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行

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);
        // 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()); // 适用于实现Runnable接口的线程
        service.submit(new NumberThread1()); // 适用于实现Callable接口的线
        // 3、关闭连接池
        service.shutdown();
    }
}

7、附加：关于锁的操作

7.1、释放锁的操作

• 当前线程的同步方法、同步代码块执行结束
• 当前线程在同步代码块、同步方法中遇到break、return终止了该代码块、该方法的继续执行。
• 当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的Error或Exception，导致异常结束
• 当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的wait()方法，当前线程暂停，并释放锁

7.2、不会释放锁的操作

• 线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用Thread.sleep()、Thread.yield()方法暂停当前线程的执行
• 线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的suspend()方法将该线程挂起，该线程不会释放锁（同步监视器）
  • 应尽量避免使用suspend()和resume()来控制线程

二、Java常用类