【Java】多线程详解！

西特张

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2022-10-18

多线程

程序

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

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

线程

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。若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的

每个线程，拥有自己独立的：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

单核CPU和多核CPU

单核CPU，是一种伪多线程，CPU通过对一个线程处理一段时间后“挂起”然后处理另一线程，只是CPU的主频比较高，切换的比较快，看起来像是在处理多线程一样

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。

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。

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；

  1. 提高计算机系统CPU的利用率；
  2. 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；

何时使用多线程

1.程序需要同时执行两个或多个任务； 2.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； 3.需要一些后台运行的程序时；

如何创建一个线程

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类的子类的对象
  4. 通过此对象调用start() -->start()方法的作用：1.启动当前线程 2.调用当前线程的run()
public class MyThread extends Thread{
    //重写run()方法
	public void run(){  //内部写此线程要执行的操作，例：输出1-100的偶数
		for(int i = 0;i < 100;i++){
			if(i %2 == 0){
				System.out.println(i);
			}
		}
	}
    
    public static void main(String[] args){
        MyThread mythread = new MyThread();  //创建Thread类的子类的对象
        mythread.start();  //通过此对象调用start()
    }
}

**注：**不能让已经start 的线程再执行一次，会报出：IllegalThreadException的异常 ，应重新创建一个MyThread对象再start

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 MyThread implements Runnable{
    //实现Runnable中的抽象方法：run()
    public void run(){
        for (int i = 0;i < 100;i++){
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(i);
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args){
        //创建实现类的对象
        MyThread mythread = new MyThread();
        //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(mythread);
        //通过Thread类的对象调用start()
        t1.start(); 
        
        //再启动一个线程
        Thread t2 = new Thread(mythread);
        t2.start();
    }
}

    **注：**在开发中，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线程有共享数据的情况

    **联系：**public class Thread implements Runnable(继承的Thread类也实现了Runnable接口)

    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

Thread中的常用方法

  1. start():启动当前线程，调用当前线程的run()
  2. 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. currentThread():静态方法，返回执行当前代码的线程
  4. getName():获取当前线程的名字
  5. setName():设置当前线程的名字
  6. yleld():释放当前cpu的执行权
  7. 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执行完以后，线程a在结束阻塞状态。
  8. stop():已过时。当执行此方法时，强制结束当前线程
  9. sleep(Long millitime):让当前线程“睡眠”指定的millitime毫秒，在指定的milltime毫秒时间内，当前线程是阻塞状态
  10. isAlive():判断当前线程是否存活

线程的优先级

MIN_PRIORITY: 1

NORM_PRIORITY:5 --> 默认优先级

MAX_PRIORITY:100

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

**注：**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，高优先级的线程有较高概率被执行，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。

线程的生命周期

在这里插入图片描述

线程的同步

例：模拟火车站售票程序，开启三个窗口售票。

class Ticket implements Runnable {
	private int tick = 100;
	public void run() {
		while (true) {
			if (tick > 0) {
                try{
                    Thread.sleep(10);
                }catch(interruptedException e){
                    e.printStackTrace;
                }
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + 
				tick--);
			} else
				break;
		}
	}
}
class TicketDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Ticket t = new Ticket();
		Thread t1 = new Thread(t);
		Thread t2 = new Thread(t);
		Thread t3 = new Thread(t);
		t1.setName("t1窗口");
		t2.setName("t2窗口");
		t3.setName("t3窗口");
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}

**出现安全问题的原因：**当多条语句在操作同一个线程共享数据时，一个线程对多条语句只执行了一部分，还没有 执行完，另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。

**解决方法：**对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完，在执行过程中，其他线程不可以 参与执行。

通过同步机制，来解决线程的安全问题

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，即为需要被同步的代码 -->不能包含代码多了，也不能包含代码少了

​ 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

​ 4.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

在这里插入图片描述

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（局限性）

方式二：同步方法

synchronized还可以放在方法声明中，表示整个方法为同步方法。

public synchronized void show (String name){ 
    ....
}
  1. 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
  2. 非静态的同步方法，同步监视器是：this
  3. 静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身

方式三：Lock锁 -->JDK5.0新增

class A{
	private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
	public void m(){
		lock.lock();
		try{
			//保证线程安全的代码;
		}
		finally{
			lock.unlock(); 
			}
		}
	}

**注：**如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块

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（））

单例设计模式之懒汉式（线程安全）

class Singleton {
	private static Singleton instance = null;
	private Singleton(){}
	public static Singleton getInstance(){
		if(instance==null){
			synchronized(Singleton.class){
				if(instance == null){
					instance=new Singleton();
					} 
            }
        }
		return instance;
    } 
}
public class SingletonTest{
	public static void main(String[] args){
		Singleton s1=Singleton.getInstance();
		Singleton s2=Singleton.getInstance();
		System.out.println(s1==s2);
    } 
}

线程的死锁

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

说明;

  1. 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
  2. 我们使用同步时，要避免出现死锁

解决方法：

  1. 专门的算法、原则
  2. 尽量减少同步资源的定义
  3. 尽量避免嵌套同步

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

**注意：**1.wait()、notify()、notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中

​ 2.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听器，否则，会出现java.lang.IllegalMonitorStateException异常

​ 3.wait()、notify()、notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object类中的

sleep() 和 wait()的异同

  1. 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

  2. 不同点：1）两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调用

    ​ 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

JDK5.0新增线程创建方式

新增创建线程方式一：实现Callable接口

与使用Runnable相比， Callable功能更强大些：

  1. 相比run()方法，可以有返回值
  2. 方法可以抛出异常
  3. 支持泛型的返回值
  4. 需要借助FutureTask类，比如获取返回结果
//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();
        }
    }

}

新增创建线程方式二：使用线程池

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：

  1. 提高响应速度（减少了创建新线程的时间）

  2. 降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）

  3. 便于线程管理

    ​ 1）corePoolSize：核心池的大小

    ​ 2）maximumPoolSize：最大线程数

    ​ 3）keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

    ​ 4）......

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;

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 NumberThread2 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 Threadpooltest {
    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;
        //设置线程池的属性
        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());//适用于Runnable
        service.execute(new NumberThread2());//适用于Runnable
//      service.submit(Callable callable); 适用于Callable
        //3.关闭连接池
        service.shutdown();
    }
}

JDK 5.0起提供了线程池相关API：ExecutorService 和 Executors 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 <T> Future<T> submit(Callable<T> task)：执行任务，有返回值，一般又来执行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.newSingleThreadExecutor() ：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。

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