第09章_多线程

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132 阅读35分钟

学习目标

  • 了解进程和线程的区别
  • 能够理解并发与并行的区别
  • 能够使用继承类的方式创建多线程
  • 能够使用实现接口的方式创建多线程
  • 能够说出实现接口方式的好处
  • 能够解释安全问题的出现的原因
  • 能够使用同步代码块解决线程安全问题
  • 能够使用同步方法解决线程安全问题
  • 能够理解线程通信概念
  • 能够理解等待唤醒机制
  • 能够说出线程的生命周期

我们之前学习的程序在没有跳转语句的前提下，都是由上至下沿着一条路径依次执行。那现在想要设计一个程序，一边游戏，一边qq聊天，一边听歌，怎么设计？

要解决上述问题，咱们得使用多进程或者多线程来解决。

1. 相关概念

1.1 程序、进程与线程

  • 程序（program）：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（process）：程序的一次执行过程，或是正在内存中运行的应用程序。每个进程都有一个独立的内存空间，系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。——生命周期

    • 如：运行中的QQ，运行中的MP3播放器

    • 程序是静态的，进程是动态的

    • 进程作为操作系统调度和分配资源的最小单位（亦是系统运行程序的基本单位），系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域

  • 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。一个进程中至少有一个线程。

    • 若一个进程同一时间若并行执行多个线程，就是支持多线程的

    • 线程作为CPU调度和执行的最小单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器，线程切换的开销小

    • 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间-->它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。

    • 下图中，红框的灰色区域为线程独享，红色区域为线程共享。

    小结：一个应用程序的一次运行就是一个进程，一个进程中至少有一个线程。

    拓展：

    1. 不同的进程之间是不共享内存的。
    2. 进程之间的数据交换和通信的成本是很高。不同的线程是共享同一个进程的内存的。当然不同的线程也有自己独立的内存空间。对于方法区，堆中中的同一个对象的内存，线程之间是可以共享的，但是栈的局部变量永远是独立的。
    3. 进程之前切换的复杂度要远远高于线程之间的切换调度。

1.2 查看进程和线程

我们可以再电脑底部任务栏，右键----->打开任务管理器，可以查看当前任务的进程：

1、每个应用程序的运行都是一个进程

2、一个应用程序的多次运行，就是多个进程

3、一个进程中包含多个线程

1.3 单核CPU和多核CPU

单核CPU，其实是因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。例如：虽然有多车道，但是一种假的多线程，收费站只有一个工作人员在收费，只有收了费才能通过，那么CPU就好比收费人员。如果有某个人不想交钱，那么收费人员可以把他“挂起”（晾着他，等他想通了，准备好了钱，再去收费）。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。（现在的服务器都是多核的）

1.4 并行与并发

  • 并行（parallel）：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。比如：多个人同时做不同的事。
  • 并发（concurrency）：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。指在同一个时刻只能有一条指令执行，但多个进程的指令被快速轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。比如：多个人做同一件事。

并行与并发的区别：

  • 并发是在一台处理器上“同时”处理多个任务，并行是在多台处理器上同时处理多个任务。如Hadoop 分布式集群。

  • 并发不是真正意义上的“同时进行”，只是CPU把一个时间段划分成几个时间片段（时间区间），然后在这几个时间区间之间来回切换，由于CPU处理的速度非常快，只要时间间隔处理得当，即可让用户感觉是多个应用程序同时在进行。

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  • 当一个CPU核心执行一个进程时，另一个CPU核心可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行，我们称之为并行(Parallel)。

    image-20220401000804242

  • 并发偏重于多个任务交替执行，而多个任务之间有可能还是串行的。而并行是真正意义上的“同时执行”。从理论上讲，N个并行处理的执行速度会是在单一处理机上执行速度的N倍。

在操作系统中，启动了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行，这在单核 CPU 系统中，每一时刻只能有一个程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

而在多核 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上（CPU），实现多任务并行执行，即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU，便是多核处理器，核越多，并行处理的程序越多，能大大的提高电脑运行的效率。

注意：单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的，只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理，线程也是一样的，从宏观角度上理解线程是并行运行的，但是从微观角度上分析却是串行运行的，即一个线程一个线程的去运行，当系统只有一个CPU时，线程会以某种顺序执行多个线程，我们把这种情况称之为线程调度。

单核CPU：只能并发

多核CPU：并行+并发

1.5 线程调度

  • 分时调度

    所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

  • 抢占式调度

    优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。

    • 抢占式调度详解

    大部分操作系统都支持多进程并发运行，现代的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。此时，这些程序是在同时运行，“感觉这些软件好像在同一时刻运行着”。

    实际上，CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而 CPU在多个线程间切换速度远比我们的感觉要快，看上去就是在同一时刻运行。 其实，多线程程序并不能提高程序的运行速度，但能够提高程序运行效率，让CPU的使用率更高。

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2. 创建和启动线程

当运行Java程序时，其实已经有一个线程了，那就是main线程。

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那么如何创建和启动main线程以外的线程呢？

2.1 概述

  • Java语言的JVM允许程序运行多个线程，使用java.lang.Thread类代表线程，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。

  • Thread类的特性

    • 每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的，因此把run()方法体称为线程执行体。
    • 通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用run()

2.2 方式1：继承Thread类

Java通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下：

  1. 定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务
  2. 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
  3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程

代码如下：

package com.atguigu.thread;
//自定义线程类
public class MyThread extends Thread {
    //定义指定线程名称的构造方法
    public MyThread(String name) {
        //调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
        super(name);
    }
    /**
     * 重写run方法，完成该线程执行的逻辑
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
        }
    }
}

测试类：

package com.atguigu.thread;

public class TestMyThread {
    public static void main(String[] args) {
        //创建自定义线程对象1
        MyThread mt1 = new MyThread("子线程1");
        //开启子线程1
        mt1.start();
        
        //创建自定义线程对象2
        MyThread mt2 = new MyThread("子线程2");
        //开启子线程2
        mt2.start();
        
        //在主方法中执行for循环
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main线程！"+i);
        }
    }
}

注意：

  1. 如果自己手动调用run()方法，那么就只是普通方法，没有启动多线程模式。

  2. run()方法由JVM调用，什么时候调用，执行的过程控制都有操作系统的CPU调度决定。

  3. 想要启动多线程，必须调用start方法。

  4. 一个线程对象只能调用一次start()方法启动，如果重复调用了，则将抛出以上的异常“IllegalThreadStateException”。

2.3 方式2：实现Runnable接口

Java有单继承的限制，当我们无法继承Thread类时，那么该如何做呢？在核心类库中提供了Runnable接口，我们可以实现Runnable接口，重写run()方法，然后再通过Thread类的对象代理启动和执行我们的线程体run()方法

步骤如下：

  1. 定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。

  2. 创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target参数来创建Thread对象，该Thread对象才是真正 的线程对象。

  3. 调用线程对象的start()方法，启动线程。调用Runnable接口实现类的run方法。

代码如下：

package com.atguigu.thread;

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
        }
    }
}

测试类：

package com.atguigu.thread;

public class TestMyRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        //创建自定义类对象  线程任务对象
        MyRunnable mr = new MyRunnable();
        //创建线程对象
        Thread t = new Thread(mr, "长江");
        t.start();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("黄河 " + i);
        }
    }
}

通过实现Runnable接口，使得该类有了多线程类的特征。所有的分线程要执行的代码都在run方法里面。

在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象，然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。

实际上，所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是继承Thread类还是实现 Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的，熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。

说明：Runnable对象仅仅作为Thread对象的target，Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。 而实际的线程对象依然是Thread实例，只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

2.4 变形写法

使用匿名内部类对象来实现线程的创建和启动

new Thread("新的线程！"){
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
		}
	}
}.start();

new Thread(new Runnable(){
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：" + i);
		}
	}
}).start();

2.5 对比两种方式

Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。即：

public class Thread extends Object implements Runnable

区别

  • 继承Thread：线程代码存放Thread子类run方法中。

  • 实现Runnable：线程代码存在接口的子类的run方法。

实现方式的好处

  • 避免了单继承的局限性

  • 多个线程可以共享同一个接口实现类的对象，非常适合多个相同线程来处理同一份资源。

2.6 练习

创建两个分线程，让其中一个线程输出1-100之间的偶数，另一个线程输出1-100之间的奇数。

class OddNumber extends Thread{ //odd:奇数
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0;i <= 100;i++){
            if(i % 2 != 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}

class EvenNumber extends Thread{ //even:偶数
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0;i <= 100;i++){
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //方式1：创建Thread子类的对象
//        OddNumber odd = new OddNumber();
//        odd.start();
//
//        EvenNumber even = new EvenNumber();
//        even.start();

        //方式2：创建Thread匿名子类的匿名对象
        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();


        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();

    }
}

3. Thread类的常用结构

3.1 构造方法

  • public Thread() :分配一个新的线程对象。
  • public Thread(String name) :分配一个指定名字的新的线程对象。
  • public Thread(Runnable target) :指定创建线程的目标对象，它实现了Runnable接口中的run方法
  • public Thread(Runnable target,String name) :分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

3.2 常用方法系列1

  • public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。

  • public void start() :导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。

  • public String getName() :获取当前线程名称。

  • public void setName(String name)：设置该线程名称。

  • public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。在Thread子类中就是this，通常用于主线程和Runnable实现类

  • public final boolean isAlive()：测试线程是否处于活动状态。如果线程已经启动且尚未终止，则为活动状态。

  • public final int getPriority() ：返回线程优先级

  • public final void setPriority(int newPriority) ：改变线程的优先级

    • 每个线程都有一定的优先级，同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用分时调度策略。优先级高的线程采用抢占式策略，获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。
    • Thread类提供了setPriority(int newPriority)和getPriority()方法类设置和获取线程的优先级，其中setPriority方法需要一个整数，并且范围在[1,10]之间，通常推荐设置Thread类的三个优先级常量：
    • MAX_PRIORITY（10）：最高优先级
    • MIN _PRIORITY （1）：最低优先级
    • NORM_PRIORITY （5）：普通优先级，默认情况下main线程具有普通优先级。

示例：

  • 获取main线程对象的名称和优先级。
  • 声明一个匿名内部类继承Thread类，重写run方法，在run方法中获取线程名称和优先级。设置该线程优先级为最高优先级并启动该线程。
	public static void main(String[] args) {
		Thread t = new Thread(){
			public void run(){
				System.out.println(getName() + "的优先级：" + getPriority());
			}
		};
		t.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
		t.start();
		
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"的优先级：" + Thread.currentThread().getPriority());
	}

3.3 常用方法系列2

  • public static void sleep(long millis) :使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。

  • public static void yield()：yield只是让当前线程暂停一下，让系统的线程调度器重新调度一次，希望优先级与当前线程相同或更高的其他线程能够获得执行机会，但是这个不能保证，完全有可能的情况是，当某个线程调用了yield方法暂停之后，线程调度器又将其调度出来重新执行。

  • public final void stop()：已过时，强制线程生命期结束。

  • void join() ：等待该线程终止。

    void join(long millis) ：等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。如果millis时间到，将不再等待。

    void join(long millis, int nanos) ：等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒。

案例：

  • 声明一个匿名内部类继承Thread类，重写run方法，实现打印[1,100]之间的偶数，要求每隔1秒打印1个偶数。

  • 声明一个匿名内部类继承Thread类，重写run方法，实现打印[1,100]之间的奇数，

    • 当打印到5时，让奇数线程暂停一下，再继续。
    • 当打印到5时，让奇数线程停下来，让偶数线程执行完再打印。
package com.atguigu.api;

public class TestThreadStateChange {
    public static void main(String[] args) {
        Thread te = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 2; i <= 100; i += 2) {
                    System.out.println("偶数线程：" + i);
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        te.start();

        Thread to = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 1; i <= 100; i += 2) {
                    System.out.println("奇数线程：" + i);
                    if (i == 5) {
//                        Thread.yield();
                        try {
                            te.join();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }

                }
            }
        };
        to.start();
    }
}

3.5 守护线程（了解）

有一种线程，它是在后台运行的，它的任务是为其他线程提供服务的，这种线程被称为“守护线程”。JVM的垃圾回收线程就是典型的守护线程。

守护线程有个特点，就是如果所有非守护线程都死亡，那么守护线程自动死亡。形象理解：兔死狗烹，鸟尽弓藏

调用setDaemon(true)方法可将指定线程设置为守护线程。必须在线程启动之前设置，否则会报IllegalThreadStateException异常。

调用isDaemon()可以判断线程是否是守护线程。

public class TestThread {
	public static void main(String[] args) {
		MyDaemon m = new MyDaemon();
		m.setDaemon(true);
		m.start();

		for (int i = 1; i <= 100; i++) {
			System.out.println("main:" + i);
		}
	}
}

class MyDaemon extends Thread {
	public void run() {
		while (true) {
			System.out.println("我一直守护者你...");
			try {
				Thread.sleep(1);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

4. 多线程的优点、场景、生命周期

4.1 使用多线程的优点

**背景：**以单核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

4.2 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。

4.3 线程的生命周期

要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线程，在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下一些状态：

4.3.1 JDK1.5之前：5种状态

简单来说，线程的生命周期有五种状态：新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、死亡（Dead）。CPU需要在多条线程之间切换，于是线程状态会多次在运行、阻塞、就绪之间切换。

1.新建

当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态。此时它和其他Java对象一样，仅仅由JVM为其分配了内存，并初始化了实例变量的值。此时的线程对象并没有任何线程的动态特征，程序也不会执行它的线程体run()。

2.就绪

但是当线程对象调用了start()方法之后，就不一样了，线程就从新建状态转为就绪状态。JVM会为其创建方法调用栈和程序计数器，当然，处于这个状态中的线程并没有开始运行，只是表示已具备了运行的条件，随时可以被调度。至于什么时候被调度，取决于JVM里线程调度器的调度。

注意：

程序只能对新建状态的线程调用start()，并且只能调用一次，如果对非新建状态的线程，如已启动的线程或已死亡的线程调用start()都会报错IllegalThreadStateException异常。

3.运行

如果处于就绪状态的线程获得了CPU资源时，开始执行run()方法的线程体代码，则该线程处于运行状态。如果计算机只有一个CPU核心，在任何时刻只有一个线程处于运行状态，如果计算机有多个核心，将会有多个线程并行(Parallel)执行。

当然，美好的时光总是短暂的，而且CPU讲究雨露均沾。对于抢占式策略的系统而言，系统会给每个可执行的线程一个小时间段来处理任务，当该时间用完，系统会剥夺该线程所占用的资源，让其回到就绪状态等待下一次被调度。此时其他线程将获得执行机会，而在选择下一个线程时，系统会适当考虑线程的优先级。

4.阻塞

当在运行过程中的线程遇到如下情况时，会让出 CPU 并临时中止自己的执行，进入阻塞状态：

  • 线程调用了sleep()方法，主动放弃所占用的CPU资源；
  • 线程试图获取一个同步监视器，但该同步监视器正被其他线程持有；
  • 线程执行过程中，同步监视器调用了wait()，让它等待某个通知（notify）；
  • 线程执行过程中，同步监视器调用了wait(time)
  • 线程执行过程中，遇到了其他线程对象的加塞（join）；
  • 线程被调用suspend方法被挂起（已过时，因为容易发生死锁）；

当前正在执行的线程被阻塞后，其他线程就有机会执行了。针对如上情况，当发生如下情况时会解除阻塞，让该线程重新进入就绪状态，等待线程调度器再次调度它：

  • 线程的sleep()时间到；
  • 线程成功获得了同步监视器；
  • 线程等到了通知(notify)；
  • 线程wait的时间到了
  • 加塞的线程结束了；
  • 被挂起的线程又被调用了resume恢复方法（已过时，因为容易发生死锁）；

5.死亡

线程会以以下三种方式之一结束，结束后的线程就处于死亡状态：

  • run()方法执行完成，线程正常结束
  • 线程执行过程中抛出了一个未捕获的异常（Exception）或错误（Error）
  • 直接调用该线程的stop()来结束该线程（已过时，因为容易发生死锁）

4.3.2 JDK1.5及之后：6种状态

在java.lang.Thread.State的枚举类中这样定义：

public enum State {
	NEW,
	RUNNABLE,
	BLOCKED,
	WAITING,
	TIMED_WAITING,
	TERMINATED;
}

首先它没有区分：就绪和运行状态，因为对于Java对象来说，只能标记为可运行，至于什么时候运行，不是JVM来控制的了，是OS来进行调度的，而且时间非常短暂，因此对于Java对象的状态来说，无法区分。只能我们人为的进行想象和理解。

其次根据Thread.State的定义，阻塞状态是分为三种的：BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING。

  • BLOCKED：是指互有竞争关系的几个线程，其中一个线程占有锁对象时，其他线程只能等待锁。只有获得锁对象的线程才能有执行机会。
  • TIMED_WAITING：当前线程执行过程中遇到Thread类的sleep或join，Object类的wait，LockSupport类的park方法，并且在调用这些方法时，设置了时间，那么当前线程会进入TIMED_WAITING，直到时间到，或被中断。
  • WAITING：当前线程执行过程中遇到遇到Object类的wait，Thread类的join，LockSupport类的park方法，并且在调用这些方法时，没有指定时间，那么当前线程会进入WAITING状态，直到被唤醒。
    • 通过Object类的wait进入WAITING状态的要有Object的notify/notifyAll唤醒；
    • 通过Condition的await进入WAITING状态的要有Condition的signal方法唤醒；
    • 通过LockSupport类的park方法进入WAITING状态的要有LockSupport类的unpark方法唤醒
    • 通过Thread类的join进入WAITING状态，只有调用join方法的线程对象结束才能让当前线程恢复；

说明：当从WAITING或TIMED_WAITING恢复到Runnable状态时，如果发现当前线程没有得到监视器锁，那么会立刻转入BLOCKED状态。

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5. 线程安全问题及解决

当我们使用多个线程访问同一资源（可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等）的时候，若多个线程只有读操作，那么不会发生线程安全问题。但是如果多个线程中对资源有读和写的操作，就容易出现线程安全问题。

举例1：

举例2：

电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “葫芦娃大战奥特曼”，本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。

我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖 “葫芦娃大战奥特曼”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)

5.1 同一个资源问题和线程安全问题

5.1.1 局部变量不能共享

示例代码：

package com.atguigu.unsafe;

class Window extends Thread {
    public void run() {
        int ticket = 100;
        while (ticket > 0) {
            System.out.println(getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

public class SaleTicketDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        Window w1 = new Window();
        Window w2 = new Window();
        Window w3 = new Window();

        w1.setName("窗口1");
        w2.setName("窗口2");
        w3.setName("窗口3");

        w1.start();
        w2.start();
        w3.start();
    }
}

结果：发现卖出300张票。

问题：局部变量是每次调用方法都是独立的，那么每个线程的run()的ticket是独立的，不是共享数据。

5.1.2 不同对象的实例变量不共享

package com.atguigu.unsafe;

class TicketWindow extends Thread {
    private int ticket = 100;

    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            System.out.println(getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

public class SaleTicketDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketWindow w1 = new TicketWindow();
        TicketWindow w2 = new TicketWindow();
        TicketWindow w3 = new TicketWindow();

        w1.setName("窗口1");
        w2.setName("窗口2");
        w3.setName("窗口3");

        w1.start();
        w2.start();
        w3.start();
    }
}

结果：发现卖出300张票。

问题：不同的实例对象的实例变量是独立的。

5.1.3 静态变量是共享的

示例代码：

package com.atguigu.unsafe;

class TicketSaleThread extends Thread {
    private static int ticket = 100;

    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

public class SaleTicketDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

运行结果：

窗口1卖出一张票，票号:100
窗口2卖出一张票，票号:100
窗口3卖出一张票，票号:100
窗口3卖出一张票，票号:97
窗口1卖出一张票，票号:97
窗口2卖出一张票，票号:97
窗口1卖出一张票，票号:94
窗口3卖出一张票，票号:94
窗口2卖出一张票，票号:94
窗口2卖出一张票，票号:91
窗口1卖出一张票，票号:91
窗口3卖出一张票，票号:91
窗口3卖出一张票，票号:88
窗口1卖出一张票，票号:88
窗口2卖出一张票，票号:88
窗口3卖出一张票，票号:85
窗口1卖出一张票，票号:85
窗口2卖出一张票，票号:85
窗口3卖出一张票，票号:82
窗口1卖出一张票，票号:82
窗口2卖出一张票，票号:82
窗口2卖出一张票，票号:79
窗口3卖出一张票，票号:79
窗口1卖出一张票，票号:79
窗口3卖出一张票，票号:76
窗口1卖出一张票，票号:76
窗口2卖出一张票，票号:76
窗口1卖出一张票，票号:73
窗口2卖出一张票，票号:73
窗口3卖出一张票，票号:73
窗口2卖出一张票，票号:70
窗口1卖出一张票，票号:70
窗口3卖出一张票，票号:70
窗口2卖出一张票，票号:67
窗口3卖出一张票，票号:67
窗口1卖出一张票，票号:67
窗口1卖出一张票，票号:64
窗口3卖出一张票，票号:64
窗口2卖出一张票，票号:64
窗口2卖出一张票，票号:61
窗口3卖出一张票，票号:61
窗口1卖出一张票，票号:61
窗口1卖出一张票，票号:58
窗口2卖出一张票，票号:58
窗口3卖出一张票，票号:58
窗口2卖出一张票，票号:55
窗口1卖出一张票，票号:55
窗口3卖出一张票，票号:55
窗口3卖出一张票，票号:52
窗口1卖出一张票，票号:52
窗口2卖出一张票，票号:52
窗口2卖出一张票，票号:49
窗口1卖出一张票，票号:49
窗口3卖出一张票，票号:49
窗口2卖出一张票，票号:46
窗口3卖出一张票，票号:46
窗口1卖出一张票，票号:46
窗口2卖出一张票，票号:43
窗口3卖出一张票，票号:43
窗口1卖出一张票，票号:43
窗口3卖出一张票，票号:40
窗口1卖出一张票，票号:40
窗口2卖出一张票，票号:40
窗口2卖出一张票，票号:37
窗口3卖出一张票，票号:37
窗口1卖出一张票，票号:37
窗口2卖出一张票，票号:34
窗口1卖出一张票，票号:34
窗口3卖出一张票，票号:34
窗口3卖出一张票，票号:31
窗口2卖出一张票，票号:31
窗口1卖出一张票，票号:31
窗口1卖出一张票，票号:28
窗口2卖出一张票，票号:28
窗口3卖出一张票，票号:28
窗口2卖出一张票，票号:25
窗口1卖出一张票，票号:25
窗口3卖出一张票，票号:25
窗口2卖出一张票，票号:22
窗口3卖出一张票，票号:22
窗口1卖出一张票，票号:22
窗口3卖出一张票，票号:19
窗口1卖出一张票，票号:19
窗口2卖出一张票，票号:19
窗口2卖出一张票，票号:16
窗口3卖出一张票，票号:16
窗口1卖出一张票，票号:16
窗口2卖出一张票，票号:13
窗口1卖出一张票，票号:13
窗口3卖出一张票，票号:13
窗口2卖出一张票，票号:10
窗口1卖出一张票，票号:10
窗口3卖出一张票，票号:10
窗口3卖出一张票，票号:7
窗口1卖出一张票，票号:7
窗口2卖出一张票，票号:7
窗口3卖出一张票，票号:4
窗口1卖出一张票，票号:4
窗口2卖出一张票，票号:4
窗口3卖出一张票，票号:1
窗口2卖出一张票，票号:1
窗口1卖出一张票，票号:1

结果：发现卖出近100张票。

问题1：但是有重复票或负数票问题。

原因：线程安全问题

问题2：如果要考虑有两场电影，各卖100张票等

原因：TicketThread类的静态变量，是所有TicketThread类的对象共享

5.1.4 同一个对象的实例变量共享

示例代码：多个Thread线程使用同一个Runnable对象

package com.atguigu.safe;

class TicketSaleRunnable implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

public class SaleTicketDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
        Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");
        Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");
        Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

结果：发现卖出近100张票。

问题：但是有重复票或负数票问题。

原因：线程安全问题

5.1.5 抽取资源类，共享同一个资源对象

示例代码：

package com.atguigu.unsafe;

//1、编写资源类
class Ticket {
    private int ticket = 100;

    public void sale() {
        if (ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        } else {
            throw new RuntimeException("没有票了");
        }
    }

    public int getTicket() {
        return ticket;
    }
}

public class SaleTicketDemo5 {
    public static void main(String[] args) {
        //2、创建资源对象
        Ticket ticket = new Ticket();

        //3、启动多个线程操作资源类的对象
        Thread t1 = new Thread("窗口一") {
            public void run() {
                while (true) {
                    ticket.sale();
                }
            }
        };
        Thread t2 = new Thread("窗口二") {
            public void run() {
                while (true) {
                    ticket.sale();
                }
            }
        };
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                ticket.sale();
            }
        }, "窗口三");


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

结果：发现卖出近100张票。

问题：但是有重复票或负数票问题。

原因：线程安全问题

5.2 解决线程安全问题

要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制 (synchronized)来解决。

1563372934332

根据案例简述：

窗口1线程进入操作的时候，窗口2和窗口3线程只能在外等着，窗口1操作结束，窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。

为了保证每个线程都能正常执行原子操作，Java引入了线程同步机制。注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁，谁拿到锁就进入代码块，其他的线程只能在外等着(BLOCKED)。

5.2.1 同步机制解决线程安全问题的原理

同步机制的原理，其实就相当于给某段代码加“锁”，任何线程想要执行这段代码，都要先获得“锁”，我们称它为同步锁。因为Java对象在堆中的数据分为分为对象头、实例变量、空白的填充。而对象头中包含：

  • Mark Word：记录了和当前对象有关的GC、锁标记等信息。
  • 指向类的指针：每一个对象需要记录它是由哪个类创建出来的。
  • 数组长度（只有数组对象才有）

哪个线程获得了“同步锁”对象之后，”同步锁“对象就会记录这个线程的ID，这样其他线程就只能等待了，除非这个线程”释放“了锁对象，其他线程才能重新获得/占用”同步锁“对象。

5.2.2 同步代码块和同步方法

同步代码块：synchronized 关键字可以用于某个区块前面，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。 格式:

synchronized(同步锁){
     需要同步操作的代码
}

**同步方法：**synchronized 关键字直接修饰方法，表示同一时刻只有一个线程能进入这个方法，其他线程在外面等着。

public synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
}

5.2.3 同步锁机制

在《Thinking in Java》中，是这么说的：对于并发工作，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源（其实就是共享资源竞争）。 防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它了。

5.2.4 synchronized的锁是什么

同步锁对象可以是任意类型，但是必须保证竞争“同一个共享资源”的多个线程必须使用同一个“同步锁对象”。

  • 需要被同步的代码，即为操作共享数据的代码
  • 共享数据，即为多个线程共同操作的数据。
  • 同步代码块在包裹操作共享数据的代码时，要注意，既不能包多了，也不能包上了
  • 同步监视器，所称锁。哪个线程获得了同步监视器，那么这个线程就可以操作共享数据的代码。其它线程必须等待，直到这个线程释放对同步监视器的调用
  • 同步监视器，可以由任何一个类的对象充当。要求多个线程必须共享同一个同步监视器。否则，同步失败，线程不安全。

对于同步代码块来说，同步锁对象是由程序员手动指定的（很多时候也是指定为this或类名.class），但是对于同步方法来说，同步锁对象只能是默认的：

  • 静态方法：当前类的Class对象（类名.class）
  • 非静态方法：this

synchronized的优缺点

  • 优点：解决了线程安全问题
  • 弊端：在同步的数据的操作中，效率较低

5.2.5 同步操作的思考顺序

1、如何找问题，即代码是否存在线程安全？（非常重要） （1）明确哪些代码是多线程运行的代码 （2）明确多个线程是否有共享数据 （3）明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据

2、如何解决呢？（非常重要） 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。 即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中

3、切记： 范围太小：不能解决安全问题

范围太大：因为一旦某个线程抢到锁，其他线程就只能等待，所以范围太大，效率会降低，不能合理利用CPU资源。

5.2.6 代码演示

示例一：静态方法加锁
package com.atguigu.safe;

class TicketSaleThread extends Thread{
    private static int ticket = 100;
    public void run(){//直接锁这里，肯定不行，会导致，只有一个窗口卖票
        while (ticket > 0) {
            saleOneTicket();
        }
    }

    public synchronized static void saleOneTicket(){//锁对象是TicketSaleThread类的Class对象，而一个类的Class对象在内存中肯定只有一个
        if(ticket > 0) {//不加条件，相当于条件判断没有进入锁管控，线程安全问题就没有解决
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}
public class SaleTicketDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
示例二：非静态方法加锁
package com.atguigu.safe;


public class SaleTicketDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
        Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");
        Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");
        Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

class TicketSaleRunnable implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    public void run() {//直接锁这里，肯定不行，会导致，只有一个窗口卖票
        while (ticket > 0) {
            saleOneTicket();
        }
    }

    public synchronized void saleOneTicket() {//锁对象是this，这里就是TicketSaleRunnable对象，因为上面3个线程使用同一个TicketSaleRunnable对象，所以可以
        if (ticket > 0) {//不加条件，相当于条件判断没有进入锁管控，线程安全问题就没有解决
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}
示例三：同步代码块
package com.atguigu.safe;


public class SaleTicketDemo5 {
    public static void main(String[] args) {
        //2、创建资源对象
        Ticket ticket = new Ticket();

        //3、启动多个线程操作资源类的对象
        Thread t1 = new Thread("窗口一") {
            public void run() {//不能给run()直接加锁，因为t1,t2,t3的三个run方法分别属于三个Thread类对象，
                // run方法是非静态方法，那么锁对象默认选this，那么锁对象根本不是同一个
                while (true) {
                    synchronized (ticket) {
                        ticket.sale();
                    }
                }
            }
        };
        Thread t2 = new Thread("窗口二") {
            public void run() {
                while (true) {
                    synchronized (ticket) {
                        ticket.sale();
                    }
                }
            }
        };
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                while (true) {
                    synchronized (ticket) {
                        ticket.sale();
                    }
                }
            }
        }, "窗口三");


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

//1、编写资源类
class Ticket {
    private int ticket = 1000;

    public void sale() {//也可以直接给这个方法加锁，锁对象是this，这里就是Ticket对象
        if (ticket > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        } else {
            throw new RuntimeException("没有票了");
        }
    }

    public int getTicket() {
        return ticket;
    }
}

5.2.7 Lock锁

  • 除了使用 synchronized 同步机制处理线程安全问题之外，还可以使用 jdk5.0提供的Lock锁的方式

步骤：

  1. 创建 Lock 的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例，必要时需要声明为 static final
  2. 调用 lock()，实现需共享的代码的锁定
  3. 调用 unlock(), 释放共享代码的锁定，为了确保此方法在执行了lock()后一定会执行，需要声明在finally中

5.2.8 使用Lock处理线程安全问题

class Window extends Thread {
    private static int ticket = 100;//100张票
    //1. 创建Lock的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例，必要时需要声明为static final
    private static final ReentrantLock LOCK = new ReentrantLock();

    public void run() {
        while (true) {
            try {
                //2. 调动lock()，实现需共享的代码的锁定
                LOCK.lock();

                if (ticket > 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            } finally{
                //3. 调用unlock()，释放共享代码的锁定
                LOCK.unlock();

            }

        }
    }
}

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window w1 = new Window();
        Window w2 = new Window();
        Window w3 = new Window();

        w1.setName("窗口1");
        w2.setName("窗口2");
        w3.setName("窗口3");

        w1.start();
        w2.start();
        w3.start();
    }
}

5.2.9 面试题：synchronized和lock的对比

区别：

  • synchronized出了大括号以后，自动释放对同步监视器的使用
  • lock 通过调用 unlock() ，释放对同步资源的调用，更灵活一些

选择：

  • lock 的方式比 synchronized 更加灵活

5.3 单例设计模式的线程安全问题

1、饿汉式没有线程安全问题

饿汉式：在类初始化时就直接创建单例对象，而类初始化过程是没有线程安全问题的

形式一：

/*
public class HungryOne{
    public static final HungryOne INSTANCE = new HungryOne();
    private HungryOne(){}
}*/

public enum HungryOne{
    INSTANCE
}

形式二：

package com.atguigu.single.hungry;

public class HungrySingle {
    private static final HungrySingle INSTANCE = new HungrySingle();
    
    private HungrySingle(){}
    
    public static HungrySingle getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

测试类：

package com.atguigu.single.hungry;

public class TestHungry {
    public static void main(String[] args) {
        HungryOne h1 = HungryOne.INSTANCE;
        HungryOne h2 = HungryOne.INSTANCE;
        System.out.println(h1 == h2);

        System.out.println("----------------------");
        HungrySingle s1 = HungrySingle.getInstance();
        HungrySingle s2 = HungrySingle.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

2、懒汉式线程安全问题

懒汉式：延迟创建对象，第一次调用getInstance方法再创建对象

形式一：

package com.atguigu.single.lazy;

public class LazyOne {
    private static LazyOne instance;

    private LazyOne(){}

    public static synchronized LazyOne getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new LazyOne();
        }
        return instance;
    }

    //有指令重排问题
/*    public static LazyOne getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (LazyOne.class) {
                try {
                    Thread.sleep(10);//加这个代码，暴露问题
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if(instance == null){
                    instance = new LazyOne();
                }
            }
        }

        return instance;
    }*/
}

形式二：

package com.atguigu.single.lazy;

public class LazySingle {
    private LazySingle instance;
    private LazySingle(){}
    private static class Inner{
        static final LazySingle INSTANCE = new LazySingle();
    }
    public static LazySingle getInstance(){
        return Inner.INSTANCE;
    }
}

测试类：

package com.atguigu.single.lazy;

import org.junit.Test;

public class TestLazy {
    @Test
    public void test01(){
        LazyOne s1 = LazyOne.getInstance();
        LazyOne s2 = LazyOne.getInstance();

        System.out.println(s1);
        System.out.println(s2);
        System.out.println(s1 == s2);
    }

    //把s1和s2声明在外面，是想要在线程的匿名内部类中为s1和s2赋值
    LazyOne s1;
    LazyOne s2;
    @Test
    public void test02(){
        Thread t1 = new Thread(){
            public void run(){
                s1 = LazyOne.getInstance();
            }
        };
        Thread t2 = new Thread(){
            public void run(){
                s2 = LazyOne.getInstance();
            }
        };

        t1.start();
        t2.start();

        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(s1);
        System.out.println(s2);
        System.out.println(s1 == s2);
    }


    LazySingle obj1;
    LazySingle obj2;
    @Test
    public void test03(){
        Thread t1 = new Thread(){
            public void run(){
                obj1 = LazySingle.getInstance();
            }
        };
        Thread t2 = new Thread(){
            public void run(){
                obj2 = LazySingle.getInstance();
            }
        };

        t1.start();
        t2.start();

        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(obj1);
        System.out.println(obj2);
        System.out.println(obj1 == obj2);
    }
}

5.4 练习

银行有一个账户。 有两个储户分别向同一个账户存3000元，每次存1000，存3次。每次存完打印账户余额。

问题：该程序是否有安全问题，如果有，如何解决？

【提示】 1，明确哪些代码是多线程运行代码，须写入run()方法 2，明确什么是共享数据。 3，明确多线程运行代码中哪些语句是操作共享数据的。

【拓展问题】可否实现两个储户交替存钱的操作

class Account{
    private double balance;//余额

    public synchronized void deposit(double amt){
        if(amt > 0){
            balance += amt;
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "存钱" + amt + "元，存后余额为：" + balance);
    }
}

class Customer extends Thread{
    private Account acct;
    private static final int MAX_TIME = 3;
    private static final double INIT_MONEY = 1000;
    public Customer(Account acct,String name){
        super(name);
        this.acct = acct;
    }

    public void run(){
        for (int i = 0; i < MAX_TIME; i++) {

            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            acct.deposit(INIT_MONEY);
        }
    }
}

public class DepositTest {
    public static void main(String[] args) {
        Account acct = new Account();
        Customer cust1 = new Customer(acct, "甲");
        Customer cust2 = new Customer(acct, "乙");

        cust1.start();
        cust2.start();

    }
}

6. 释放锁操作与死锁

任何线程进入同步代码块、同步方法之前，必须先获得对同步监视器的锁定，那么何时会释放对同步监视器的锁定呢？

6.1 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，导致当前线程异常结束。

当前线程在同步代码块、同步方法中执行了锁对象的wait()方法，当前线程被挂起，并释放锁。

6.2 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()这样的过时来控制线程。

6.3 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。

一旦出现死锁，整个程序既不会发生异常，也不会给出任何提示，只是所有线程处于阻塞状态，无法继续。

举例1：

public class DeadLockTest {
    public static void main(String[] args) {
        final StringBuffer s1 = new StringBuffer();
        final StringBuffer s2 = new StringBuffer();
        new Thread() {
            public void run() {
                synchronized (s1) {
                    s2.append("A");
                }
                synchronized (s2) {
                    s2.append("B");
                    System.out.print(s1);
                    System.out.print(s2);
                }
            }

        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                synchronized (s2) {
                    s2.append("C");
                    synchronized (s1) {
                        s1.append("D");
                        System.out.print(s2);
                        System.out.print(s1);
                    }
                }
            }
        }.start();
    }
}

举例2：


class A {
	public synchronized void foo(B b) {
		System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
				+ " 进入了A实例的foo方法"); // ①
		try {
			Thread.sleep(200);
		} catch (InterruptedException ex) {
			ex.printStackTrace();
		}
		System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
				+ " 企图调用B实例的last方法"); // ③
		b.last();
	}

	public synchronized void last() {
		System.out.println("进入了A类的last方法内部");
	}
}

class B {
	public synchronized void bar(A a) {
		System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
				+ " 进入了B实例的bar方法"); // ②
		try {
			Thread.sleep(200);
		} catch (InterruptedException ex) {
			ex.printStackTrace();
		}
		System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
				+ " 企图调用A实例的last方法"); // ④
		a.last();
	}

	public synchronized void last() {
		System.out.println("进入了B类的last方法内部");
	}
}

public class DeadLock implements Runnable {
	A a = new A();
	B b = new B();

	public void init() {
		Thread.currentThread().setName("主线程");
		// 调用a对象的foo方法
		a.foo(b);
		System.out.println("进入了主线程之后");
	}

	public void run() {
		Thread.currentThread().setName("副线程");
		// 调用b对象的bar方法
		b.bar(a);
		System.out.println("进入了副线程之后");
	}

	public static void main(String[] args) {
		DeadLock dl = new DeadLock();
		new Thread(dl).start();
		dl.init();
	}
}

举例3：

public class TestDeadLock {
	public static void main(String[] args) {
		Object g = new Object();
		Object m = new Object();
		Owner s = new Owner(g,m);
		Customer c = new Customer(g,m);
		new Thread(s).start();
		new Thread(c).start();
	}
}
class Owner implements Runnable{
	private Object goods;
	private Object money;

	public Owner(Object goods, Object money) {
		super();
		this.goods = goods;
		this.money = money;
	}

	@Override
	public void run() {
		synchronized (goods) {
			System.out.println("先给钱");
			synchronized (money) {
				System.out.println("发货");
			}
		}
	}
}
class Customer implements Runnable{
	private Object goods;
	private Object money;

	public Customer(Object goods, Object money) {
		super();
		this.goods = goods;
		this.money = money;
	}

	@Override
	public void run() {
		synchronized (money) {
			System.out.println("先发货");
			synchronized (goods) {
				System.out.println("再给钱");
			}
		}
	}
}

解决方法：

  • 尽量减少同步资源的定义

  • 尽量避免嵌套同步

【小故事】

面试官：你能解释清楚什么是死锁，我就录取你！ 面试者：你录取我，我就告诉你什么是死锁！ …. 恭喜你，面试通过了

7. 线程的通信

7.1 线程间通信

为什么要处理线程间通信：

多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。而多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些通信机制，可以协调它们的工作，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

比如：线程A用来生产包子的，线程B用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，此时B线程必须等到A线程完成后才能执行，那么线程A与线程B之间就需要线程通信，即—— 等待唤醒机制。

7.2 等待唤醒机制

什么是等待唤醒机制

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。

就是在一个线程满足某个条件时，就进入等待状态（wait()/wait(time)）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒（notify()）;或可以指定wait的时间，等时间到了自动唤醒；在有多个线程进行等待时，如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

  1. wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING或TIMED_WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”或者等待时间到，在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中
  2. notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；
  3. notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：

被通知线程被唤醒后也不一定能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以她需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下：

  • 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE（可运行） 状态；
  • 否则，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED（等待锁） 状态

调用wait和notify方法需要注意的细节

  1. wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。否则会报IllegalMonitorStateException
  2. wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
  3. wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步方法中使用。因为：必须要通过锁对象调用这2个方法。

例题：使用两个线程打印 1-100。线程1, 线程2 交替打印

class Communication implements Runnable {
    int i = 1;
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {
                notify();
                if (i <= 100) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++);
                } else
                    break;
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

7.3 生产者与消费者问题

等待唤醒机制可以解决经典的“生产者与消费者”的问题。

生产者与消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个（多个）共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

生产者与消费者问题中其实隐含了两个问题：

  • 线程安全问题：因为生产者与消费者共享数据缓冲区，不过这个问题可以使用同步解决。
  • 线程的协调工作问题：
    • 要解决该问题，就必须让生产者线程在缓冲区满时等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到下次消费者消耗了缓冲区中的数据的时候，通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态，重新开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者线程在缓冲区空时进入等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态。通过这样的通信机制来解决此类问题。
生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品(比如:20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。

这里可能出现两个问题：
生产者比消费者快时，消费者会漏掉一些数据没有取到。
消费者比生产者快时，消费者会取相同的数据。

 * 分析：
 * 1. 是否是多线程问题？ 生产者、消费者
 * 2. 是否存在线程安全问题？ 有！
 *    是否存在共享数据？ 存在，产品的数量
 *    是否存在对共享数据的写操作？ 存在。生产者增加产品数量，消费者减少产品数量
 * 3. 如何处理线程安全问题？ 同步机制
 * 4. 存在线程间的通信吗？ 存在

class Clerk{//店员

    private int productNum = 0;

    //增加的方法
    public synchronized void addProduct(){
        if(productNum >= 20){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        productNum++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产了第" + productNum + "个产品");

        this.notifyAll();

    }
    //减少的方法
    public synchronized void minusProduct(){
        if(productNum <= 0){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费了第" + productNum + "个产品");
        productNum--;

        this.notifyAll();

    }

}


class Consumer extends Thread{//消费者
    Clerk clerk;
    public Consumer(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }

    public Consumer(Clerk clerk,String name){
        super(name);
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + "开始消费产品");
        //不断的消费
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            clerk.minusProduct();
        }

    }

}


class Productor extends  Thread{ //生产者
    Clerk clerk;

    public Productor(Clerk clerk,String name){
        super(name);
        this.clerk = clerk;

    }

    public Productor(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }


    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + "开始生产产品");
        //不断的生产
        while(true){

            try {
                Thread.sleep(40);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            clerk.addProduct();
        }

    }
}


public class ProductorConsumerTest {

    public static void main(String[] args) {
        //创建一个Clerk，相当于共享数据
        Clerk clerk = new Clerk();

        //创建一个生产者
        Productor p1 = new Productor(clerk,"生产者1");
        //创建一个消费者
        Consumer c1 = new Consumer(clerk,"消费者1");
        //创建一个消费者
        Consumer c2 = new Consumer(clerk,"消费者2");

        p1.start();
        c1.start();
        c2.start();

    }

}

1、一个厨师一个服务员问题

案例：有家餐馆的取餐口比较小，只能放10份快餐，厨师做完快餐放在取餐口的工作台上，服务员从这个工作台取出快餐给顾客。现在有1个厨师和1个服务员。

package com.atguigu.thread5;

public class TestCommunicate {
	public static void main(String[] args) {
		// 1、创建资源类对象
		Workbench workbench = new Workbench();

		// 2、创建和启动厨师线程
		new Thread("厨师") {
			public void run() {
				while (true) {
					workbench.put();
				}
			}
		}.start();

		// 3、创建和启动服务员线程
		new Thread("服务员") {
			public void run() {

				while (true) {
					workbench.take();
				}
			}
		}.start();
	}

}

// 1、定义资源类
class Workbench {
	private static final int MAX_VALUE = 10;
	private int num;

	public synchronized void put() {
		if (num >= MAX_VALUE) {
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		num++;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "制作了一份快餐，现在工作台上有：" + num + "份快餐");
		this.notify();
	}

	public synchronized void take() {
		if (num <= 0) {
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		num--;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取走了一份快餐，现在工作台上有：" + num + "份快餐");
		this.notify();
	}
}

2、多个厨师多个服务员问题

案例：有家餐馆的取餐口比较小，只能放10份快餐，厨师做完快餐放在取餐口的工作台上，服务员从这个工作台取出快餐给顾客。现在有多个厨师和多个服务员。

package com.atguigu.thread5;

public class TestCommunicate2 {
	public static void main(String[] args) {
		// 1、创建资源类对象
		WindowBoard windowBoard = new WindowBoard();

		// 2、创建和启动厨师线程
		// 3、创建和启动服务员线程
		Cook c1 = new Cook("张三",windowBoard);
		Cook c2 = new Cook("李四",windowBoard);
		Waiter w1 = new Waiter("小红",windowBoard);
		Waiter w2 = new Waiter("小绿",windowBoard);
		
		c1.start();
		c2.start();
		w1.start();
		w2.start();
	}

}
//1、定义资源类
class WindowBoard {
	private static final int MAX_VALUE = 10;
	private int num;

	public synchronized void put() {
		while (num >= MAX_VALUE) {
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		num++;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "制作了一份快餐，现在工作台上有：" + num + "份快餐");
		this.notifyAll();
	}

	public synchronized void take() {
		while (num <= 0) {
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		num--;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取走了一份快餐，现在工作台上有：" + num + "份快餐");
		this.notifyAll();
	}
}


//2、定义厨师类
class Cook extends Thread{
	private WindowBoard windowBoard;
	
	public Cook(String name,WindowBoard windowBoard) {
		super(name);
		this.windowBoard = windowBoard;
	}

	public void run(){
		while(true) {
			windowBoard.put();
		}
	}
}


//3、定义服务员类
class Waiter extends Thread{
	private WindowBoard windowBoard;
	
	public Waiter(String name,WindowBoard windowBoard) {
		super(name);
		this.windowBoard = windowBoard;
	}

	public void run(){
		while(true) {
			windowBoard.take();
		}
	}
}

7.4 面试题：sleep()和wait()方法的区别

相同点：

一旦调用，当前线程就进入阻塞状态

不同点：

① 所属类不同：

​ wait():Object 类中，sleep(): Thread类中静态方法

② 使用范围不同：

​ wait():必须使用在同步代码块或同步方法中

​ sleep(): 可以使用在任何需要调用的位置

③都使用在同步代码或同步方法中：

​ wait():会释放锁 sleep(): 不会释放锁

④ 结束阻塞的方式：

​ sleep():到达指定时间后，结束阻塞

​ wait():到达指定时间后，结束阻塞或使用notify()/notifyAll()唤醒

8. JDK5.0新增线程创建方式

8.1 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。
    • FutureTask是Futrue接口的唯一的实现类
    • FutureTask 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
/*
 * 创建多线程的方式三：实现Callable （jdk5.0新增的）
 */
//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 CallableTest {
    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()
        Thread t1 = new Thread(futureTask);
        t1.start();


//      接收返回值
        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();
        }
    }

}

8.2 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。类似生活中的公共交通工具。

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
    • …

线程池相关API

  • 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
    • Future submit(Callable 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。
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 NumberThread1 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 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);
        ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
//        //设置线程池的属性
//        System.out.println(service.getClass());//ThreadPoolExecutor
        service1.setMaximumPoolSize(50); //设置线程池中线程数的上限

        //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());//适合适用于Runnable
        service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable

//        service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable
        //3.关闭连接池
        service.shutdown();
    }

}
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