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JAVA基础笔记6(多线程)

多线程

普通线程和多线程的区别
在这里插入图片描述

程序.进程.线程

在操作系统中运行的程序就是,比如你的QQ,播放器,游戏,IDE等等
一个进程中可以有多个线程,比如视频中同时听声音,看图像,看弹幕,等等

Process与Thread

说起进程,就不得不说下程序。程序是指令和数据的有序集合,其本身没有任何运行的含义,是一个静态的概念。
而进程则是执行程序的一次执行过程,它是一个动态的概念。是系统资源分配的单位。
通常在一个进程中可以包含多个线程,当然一个进程中至少有一个线程,不然没有存在的意义。线程是由CPU调度和执行的单位。
注意:很多多线程是模拟出来的,真正的多线程是指有多个CPU,即多核,如服务器,如果模拟出来的多线程即在一个CPU的情况下,在同一个时间点,CPU只能执行一个代码,因为切换的很快,所以就有同时执行的错觉

核心概念

  1. 线程就是独立的执行路径。
  2. 在程序运行时,即使没有自己创建线程,后台也会有多个线程,如主线程,GC线程。
  3. main()称之为主线程,为系统的入口,用于执行整个程序。
  4. 在一个进程中,如果开辟了多个线程,线程的运行是由调度器(CPU)安排调度的,同一时刻调度器只能做一件事情,调度器是与操作系统紧密相关的,先后顺序是不能人为干预的。
  5. 对同一份资源操作时,会存在资源抢夺的问题,需要加入并发控制。
  6. 线程会带来额外的开销,如CPU调度时间,并发控制开销。
  7. 每个线程在自己的工作内存交互,内存控制不当会造成数据不一致。

线程创建

三种创建方式
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Thread

  1. 自定义线程类继承Thread类
  2. 重写run()方法,编写线程执行体
  3. 创建线程对象,调用start()方法启动线程
    不建议使用:避免OOP单继承局限性

实现Runnable接口

  1. 定义MyRunnable类实现Runnable接口
  2. 实现run()方法,编写执行体
  3. 创建线程对象,调用Thread类的start()方法启动线程(new Thread(Thread对象).start()😉
    推荐使用Runnable接口,因为Java单继承的局限性,避免单继承局限性,方便同一个对象被多个线程使用

实现Callable接口

  1. 实现Callable接口,需要返回类型
  2. 重写call()方法,需要抛出异常
  3. 创建目标对象
  4. 创建执行服务:ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1);
  5. 提交执行:Future result1 = ser.submit(t1);
  6. 获取结果:boolean r1 = result1.get();
  7. 关闭服务:ser.shutdownNow();

静态代理模式

  • 真实对象和代理对象都要实现一个接口
  • 代理对象代理真实角色
  • 代理对象可以错很多真实对象做不了的事情
  • 真实对象可以专注做自己的事情

线程状态

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线程方法

方法用途
setPriority(int newPriority)更改线程的优先级
static void sleep(long millis)在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
void join()等待该线程终止
static void yield()暂停当前正在执行的线程对象,并执行其他线程
void interrupt()中断线程,别用这个方式
boolean isAlive()测试线程是否处于活动状态

停止线程

  • 不推荐使用JDK提供的stop(),destroy()方法。已废弃
  • 推荐线程自己停下来
  • 建议使用一个标志位进行终止变量,当flag=false,则终止线程运行
public class TestStop implements Runnable{
	private boolean flag = true;
	@Override
	public void run(){
		int i = 0;
		while(true){
			System.out.println("Thread执行了"+i++)
		}
	}
	public void stop(){
		this.flag = false;
	}
	public static void main(String[] args){
		TestStop testStop = new TestStop();
		new Thread(testStop).start();
		for(int i = 0;i < 100;i++){
			System.out.println("线程执行了"+i)
			if(i ==50){
				testStop.stop();
				System.out.println("线程结束了");
			}
		}
	}
}

线程休眠

  • sleep(时间):指定当前线程阻塞的毫秒数。
  • sleep存在异常InterruotedException需要抛出
  • sleep时间达到后线程进入就绪状态。
  • sleep可以模拟网络延时,倒计时等。
  • 每一个对象都有一个锁,sleep不会释放锁。

线程礼让

  1. 礼让线程,让当前正在执行的线程暂停,但不阻塞。
  2. 将线程从运行状态转换为就绪状态
    让CPU重新调度,礼让不一定成功,看CPU调度
public class TestYield implements Runnable{
	@Override
	public void run(){
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程开始");
		Thread.yield();//礼让,线程不一定礼让成功,看CPU调度
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程结束");
	}
	public static void main(String[] args){
		TestYield testYield = new TestYield();
		TestYield testYield1 = new TestYield();
		new Thread(testYield,"A").start();
		new Thread(testYield1,"B").start();
	}
}

Join

  • join合并线程,待此线程执行完成后,在执行其他线程,其他线程阻塞
  • 可以想象成插队

线程状态观测

Thread.State
线程状态。线程可以处于以下状态之一:

  1. NEW:尚未启动的线程处于此状态
  2. RUNNABLE:在Java虚拟机中执行的线程处于此状态
  3. BLOCKED:被阻塞等待监视器锁定的线程处于此状态
  4. WAITING:正在等待另外一个线程执行动作达到指定等待时间的线程处于此状态
  5. TIMED_WAITING:正在等待另外一个线程执行动作达到指定等待时间的线程处于此状态
  6. TERMINATED:已退出的线程处于此状态
    一个线程可以在指定时间点处于一个状态。这些状态是不反映任何操作系统线程状态的虚拟机状态。

线程优先级

Java提供一个线程调度器来监控程序中启动后进入就绪状态的所有线程,线程调度器按照优先级决定应该调度哪个线程来执行。
线程的优先级用数字表示,范围从1-10:

  • Thread.MIN_PRIORITY = 1;最小
  • Thread.MAX_PRIORITY = 10;最大
  • Thread.NORM_PRIORITY = 5;默认
    使用以下方式改变或获取优先级
    getPriority()和setPriority(int x)
    优先级的设定建议在start()调度前(先设定在执行)
    优先级低只是意味着获得调度的概率低,并不会优先级低就不会被调用了,这都是看cpu的

守护(daemon)线程

  • 线程分为用户线程和守护线程
  • 虚拟机必须确保用户线程执行完毕
  • 虚拟机不用等待守护线程执行完毕
  • 如后台记录操作日志,监控内存,垃圾回收等

线程同步

多个线程操作同一个资源
**并发:**同一个对象被多个线程同时操作出现的问题。

	上万个人同时抢100张票:可能多个人会抢到同一张票。
	两个银行取钱:比如一张卡里只有一百块钱,你拿银行卡在ATM机里取出来了,而你老婆拿着存折在同一时间到柜台也取出来了。

现实生活中,我们会遇到同一个资源多个人想使用的问题,比如食堂排队打饭,每个人都想吃饭,最天然的解决办法就是,排队,一个一个来。

  1. 处理多线程问题时,多个线程访问同一个对象,并且某些线程还想修改这个对象。这时候我们就需要线程同步
  2. 线程同步其实就是一种等待机制,多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列,等待签名线程使用完毕,下一个线程在使用。
    线程同步需要队列+锁

由于同一个进程的多个线程共享同一块存储空间,在带来方便的同时,也带来了访问冲突问题,为了保证数据在方法中被访问时的正确性,在访问时加入锁机制synchronized当一个线程获得对象的排它锁,独占资源,其他线程必须等待,使用后释放锁即可,存在以下问题:

  1. 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起;
  2. 在多线程竞争下,加锁,释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题;
  3. 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁,会导致优先级导致,引起性能问题;

同步方法

由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问,所以我们只需要针对方法提出一套机制,这套机制就是synchronized关键字,它包括两种用法:synchronized方法和synchronized代码块

//同步方法
public synchronized void method(int args){}

synchronized方法控制对 对象 的访问,每一个对象对应一把锁,每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行,否则线程会阻塞,方法一旦执行,就独占该锁,直到该方法返回才释放锁,后面被阻塞的线程才能获得这个锁继续执行。
缺陷:若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率

同步方法弊端

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同步块:synchronized(Obj{}
Obj称之为 同步监视器:

  • Obj可以是任何对象,但是推荐使用共享资源作为同步监视器
  • 同步方法中无需指定同步监视器,因为同步方法的同步监视器就是this,就是这个对象本身,或是class

同步监视器的执行过程

  1. 第一个线程访问,锁定同步监视器,执行其中代码。
  2. 第二个线程访问,发现同步监视器被锁定,无法访问。
  3. 第一个线程访问完毕,解锁同步监视器。
  4. 第二个线程访问,发现同步监视器没有锁,然后锁定并访问。

synchronized方法锁的是this对象的本身,synchronized(Obj){代码块}锁的是对象是变化的量,需要增删改的对象

死锁

多个线程各自占有一些共享资源,并且互相等待其他线程占有的资源才能运行,而导致两个或多个线程都在等待资源,都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有两个以上对象的锁时,就可能会发生死锁的问题。

死锁避免方法

产生死锁的四个必要条件:

  1. 互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用
  2. 请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。
  3. 不剥夺条件:进程已获得的资源,在未使用完之前,不能强行剥夺。
  4. 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系,

上面列出了死锁的四个必要条件,我们只要想办法破坏其中的任意一个或多个条件就可以避免死锁的发生

Lock锁

从JDK5.0开始,Java提供了更强大的线程同步机制—通过显示定义同步锁对象来实现同步,同步锁使用Lock对像充当java.util.concurrent.lock_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该先获得Lock对象。
RenntrantLock类实现了Lock。它拥有与synchronized相同的是并发和内存语义,在实现线程安全的控制中,比较常用的是ReentranLock,可以显示加锁,释放锁。

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void m(){
	lock.lock();
	try{
		//保证线程安全代码;
	}
	finally{
		lock.unlock();//解锁
		//如果同步代码有异常,要将unlock()写入finally语块
	}
}

synchronized与Lock的对比

  1. Lock是显示锁(手动开启和关闭锁,别忘记关闭锁)synchronized是隐式锁,出来作用域自动释放。
  2. Lock只有代码块锁,synchronized有代码块锁和方法锁。
  3. 使用Lock锁,JVM将花费较少的时间来调度线程,性能更好,并且具有更好的扩展性(提供更多的子类)。
  4. 有限使用顺序: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)。

线程通信

应用场景:生产者和消费者问题

  • 假设仓库中只能存放一件产品,生产者将生产出来的产品放入仓库,消费者将仓库中产品取走消费。
  • 如果仓库中没有产品,则生产者将产品放入仓库,否则停止生产并等待,直到仓库中的产品被消费者取走为止。
  • 如果仓库中有产品,则消费者可以将产品取走消费,否则停止消费并等待,直到仓库中再次放入产品为止。

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分析:

  • 这是一个线程同步问题,生产者和消费者共享同一个资源,并且生产者和消费者之间相互依赖,互为条件。
  • 对于生产者,没有生产产品之前,需要通知消费者等待,而生产了产品之后,有需要通知消费者消费。
  • 对于消费者,在消费之后,需要通知生产者已经结束消费了,需要生产新的产品以供消费。
  • 在生成者消费者问题中,仅有synchronized是不够的。

synchronized可阻止并发更新同一个共享资源,实现同步。
synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)。

Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

方法作用
wait()表示线程一直等待,直到其他线程通知,与sleep不同,会释放锁
wait(long timeout)指定等待的毫秒数
notify()唤醒一个处于等待状态的线程
notfyAll()唤醒同一个对象所有调用wait()方法的线程,优先级别高的线程优先调度

注意:均是Object类的方法,都只能在同步方法或者同步代码块只能使用,否则会抛出异常IIIegaiMonitorStaeException

解决方式:

  • 并发协作模型“生产者/消费者模式” —> 管程法
  • 生产者:负责生成数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
  • 消费者:负责处理数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
  • 缓冲区:消费者不能直接使用生产者的数据,他们之间有个缓冲区
  • 生产者将生成好的数据放入缓冲区,消费者从缓冲区拿出数据

使用线程池

背景:经常创建和销毁,使用特别大的资源,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:

  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:
    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

JDK5.0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 executor(Runnable command):执行任务/命令,没有返回值,一般用来执行Runnable
Future submit(Callable task)


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