Java并发

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JAVA并发

线程与进程的区别

线程,程序执行流的最小执行单位,是行程中的实际运作单位,经常容易和进程这个概念混淆。那么,线程和进程究竟有什么区别呢?首先,进程是一个动态的过程,是一个活动的实体。简单来说,一个应用程序的运行就可以被看做是一个进程,而线程,是运行中的实际的任务执行者。可以说,进程中包含了多个可以同时运行的线程。

线程的基本概念

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第一步,是用new Thread()的方法新建一个线程,在线程创建完成之后,线程就进入了就绪(Runnable)状态,此时创建出来的线程进入抢占CPU资源的状态,当线程抢到了CPU的执行权之后,线程就进入了运行状态(Running),当该线程的任务执行完成之后或者是非常态的调用的stop()方法之后,线程就进入了死亡状态。而我们在图解中可以看出,线程还具有一个则色的过程,这是怎么回事呢?当面对以下几种情况的时候,容易造成线程阻塞,第一种,当线程主动调用了sleep()方法时,线程会进入则阻塞状态,除此之外,当线程中主动调用了阻塞时的IO方法时,这个方法有一个返回参数,当参数返回之前,线程也会进入阻塞状态,还有一种情况,当线程进入正在等待某个通知时,会进入阻塞状态。那么,为什么会有阻塞状态出现呢?我们都知道,CPU的资源是十分宝贵的,所以,当线程正在进行某种不确定时长的任务时,Java就会收回CPU的执行权,从而合理应用CPU的资源。我们根据图可以看出,线程在阻塞过程结束之后,会重新进入就绪状态,重新抢夺CPU资源。这时候,我们可能会产生一个疑问,如何跳出阻塞过程呢?又以上几种可能造成线程阻塞的情况来看,都是存在一个时间限制的,当sleep()方法的睡眠时长过去后,线程就自动跳出了阻塞状态,第二种则是在返回了一个参数之后,在获取到了等待的通知时,就自动跳出了线程的阻塞过程

单线程与多线程

单线程,顾名思义即是只有一条线程在执行任务,这种情况在我们日常的工作学习中很少遇到,所以我们只是简单做一下了解

多线程,创建多条线程同时执行任务,这种方式在我们的日常生活中比较常见。但是,在多线程的使用过程中,还有许多需要我们了解的概念。比如,在理解上并行和并发的区别,以及在实际应用的过程中多线程的安全问题,对此,我们需要进行详细的了解。

并行和并发:在我们看来,都是可以同时执行多种任务,那么,到底他们二者有什么区别呢?

并发,从宏观方面来说,并发就是同时进行多种时间,实际上,这几种时间,并不是同时进行的,而是交替进行的,而由于CPU的运算速度非常的快,会造成我们的一种错觉,就是在同一时间内进行了多种事情

而并发,则是真正意义上的同时进行多种事情。这种只可以在多核CPU的基础下完成。

还有就是多线程的安全问题?为什么会造成多线程的安全问题呢?我们可以想象一下,如果多个线程同时执行一个任务,name意味着他们共享同一种资源,由于线程CPU的资源不一定可以被谁抢占到,这是,第一条线程先抢占到CPU资源,他刚刚进行了第一次操作,而此时第二条线程抢占到了CPU的资源,name,共享资源还来不及发生变化,就同时有两条数据使用了同一条资源,具体请参考多线程买票问题。这个问题我们应该如何解决那?

有造成问题的原因我们可以看出,这个问题主要的矛盾在于,CPU的使用权抢占和资源的共享发生了冲突,解决时,我们只需要让一条线程战歌了CPU的资源时,阻止第二条线程同时抢占CPU的执行权,在代码中,我们只需要在方法中使用同步代码块即可。在这里,同步代码块不多进行赘述,可以自行了解。

线程池

又以上介绍我们可以看出,在一个应用程序中,我们需要多次使用线程,也就意味着,我们需要多次创建并销毁线程。而创建并销毁线程的过程势必会消耗内存。而在Java中,内存资源是及其宝贵的,所以,我们就提出了线程池的概念。

线程池:Java中开辟出了一种管理线程的概念,这个概念叫做线程池,从概念以及应用场景中,我们可以看出,线程池的好处,就是可以方便的管理线程,也可以减少内存的消耗。

那么,我们应该如何创建一个线程池那?Java中已经提供了创建线程池的一个类:Executor

而我们创建时,一般使用它的子类:ThreadPoolExecutor.

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,  //核心线程数量,在没有用的时候也不会被回收
                              int maximumPoolSize,  //线程池可容纳最大线程数量
                              long keepAliveTime,  //除了核心线程外其他最长可以保留的时间,即非核心线程可以保留的最长的空闲时间
                              TimeUnit unit,  //时间单位
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,//等待队列,任务可以存储在任务队列中等待被执行,执行先进先出  
                              ThreadFactory threadFactory, //创建线程的线程工厂
                              RejectedExecutionHandler handler)//拒绝策略,任务满了之后,拒绝某些任务
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有图我们可以看出,任务进来时,首先执行判断,判断核心线程是否处于空闲状态,如果不是,核心线程就先就执行任务,如果核心线程已满,则判断任务队列是否有地方存放该任务,若果有,就将任务保存在任务队列中,等待执行,如果满了,在判断最大可容纳的线程数,如果没有超出这个数量,就开创非核心线程执行任务,如果超出了,就调用handler实现拒绝策略。 handler的拒绝策略:

有四种:第一种AbortPolicy:不执行新任务,直接抛出异常,提示线程池已满

         第二种DisCardPolicy:不执行新任务,也不抛出异常

         第三种DisCardOldSetPolicy:将消息队列中的第一个任务替换为当前新进来的任务执行

         第四种CallerRunsPolicy:直接调用execute来执行当前任务
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  • newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池程
  • newFixedThreadPool创建一个定长线程池
  • newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池
  • newSingleThreadExecutor创建一个单线程化的线程池

Semaphore

Semaphore是一种在多线程环境下使用的设施,该设施负责协调各个线程,以保证它们能够正确、合理的使用公共资源的设施,也是操作系统中用于控制进程同步互斥的量。Semaphore是一种计数信号量,用于管理一组资源,内部是基于AQS的共享模式。它相当于给线程规定一个量从而控制允许活动的线程数。

工作原理

以一个停车场是运作为例。为了简单起见,假设停车场只有三个车位,一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车,看门人允许其中三辆不受阻碍的进入,然后放下车拦,剩下的车则必须在入口等待,此后来的车也都不得不在入口处等待。这时,有一辆车离开停车场,看门人得知后,打开车拦,放入一辆,如果又离开两辆,则又可以放入两辆,如此往复。这个停车系统中,每辆车就好比一个线程,看门人就好比一个信号量,看门人限制了可以活动的线程。假如里面依然是三个车位,但是看门人改变了规则,要求每次只能停两辆车,那么一开始进入两辆车,后面得等到有车离开才能有车进入,但是得保证最多停两辆车。对于Semaphore类而言,就如同一个看门人,限制了可活动的线程数。

Semahore主要方法

  • Semaphore(int permits):构造方法,创建具有给定许可数的计数信号量并设置为非公平信号量。
  • Semaphore(int permits,boolean fair):构造方法,当fair等于true时,创建具有给定许可数的计数信号量并设置为公平信号量。
  • void acquire():从此信号量获取一个许可前线程将一直阻塞。相当于一辆车占了一个车位。
  • void acquire(int n):从此信号量获取给定数目许可,在提供这些许可前一直将线程阻塞。比如n=2,就相当于一辆车占了两个车位。
  • void release():释放一个许可,将其返回给信号量。就如同车开走返回一个车位。
  • void release(int n):释放n个许可。
  • int availablePermits():当前可用的许可数。

应用场景

Semaphore可以用于做流量控制,特别公用资源有限的应用场景,比如数据库连接。假如有一个需求,要读取几万个文件的数据,因为都是IO密集型任务,我们可以启动几十个线程并发的读取,但是如果读到内存后,还需要存储到数据库中,而数据库的连接数只有10个,这时我们必须控制只有十个线程同时获取数据库连接保存数据,否则会报错无法获取数据库连接。这个时候,我们就可以使用Semaphore来做流控,代码如下:

public class SemaphoreTest {

	private static final int THREAD_COUNT = 30;

	private static ExecutorService threadPool = Executors
			.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);

	private static Semaphore s = new Semaphore(10);

	public static void main(String[] args) {
		for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
			threadPool.execute(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					try {
						s.acquire();
						System.out.println("save data");
						s.release();
					} catch (InterruptedException e) {
					}
				}
			});
		}

		threadPool.shutdown();
	}
}
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在代码中,虽然有30个线程在执行,但是只允许10个并发的执行。Semaphore的构造方法Semaphore(int permits) 接受一个整型的数字,表示可用的许可证数量。Semaphore(10)表示允许10个线程获取许可证,也就是最大并发数是10。Semaphore的用法也很简单,首先线程使用Semaphore的acquire()获取一个许可证,使用完之后调用release()归还许可证。还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证。

CountDownLatch

概述

CountDownLatchjava.util.concurrent包中一个类,CountDownLatch只要提供的机制是多个(具体数量等于初始化CountDownLatch时count的值)线程都达到了预期状态或者完成了预期工作时触发事件,其他线程可以等待这个事件来触发自己后续的工作。等待的线程可以是多个,即CountDownLatch可以唤醒多个等待的线程。到达自己预期状态的线程会调用CountDownLatchcountDown方法,而等待的线程会调用CountDownLatch的await方法。

CountDownLatch是一个用来控制并发的很常见的工具,它允许一个或者多个线程等待其他的线程执行到某一操作,比如说需要去解析一个excel的数据,为了更快的解析则每个sheet都使用一个线程去进行解析,但是最后的汇总数据的工作则需要等待每个sheet的解析工作完成之后才能进行,这就可以使用CountDownLatch。
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@Test
    public void countDownLatchTest() {
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        int count = 10;
        CountDownLatch latch= new CountDownLatch(count);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            cachedThreadPool.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
                latch.countDown();
            });
        }
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("主线程唤醒执行");
        cachedThreadPool.shutdown();
    }
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后端
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