【Java学习】多线程详解

Macondo_z
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目录

  线程简介

  线程创建

  静态代理

  Lambda表达式

  线程状态

  线程同步

  线程通信

  使用线程池

  多线程总结

  总结

线程简介

多任务

看似在同一时间完成了多个任务，实际上大脑在一个时刻只能做一件事。

多线程

比如为了提高道路利用率，增加多个车道，避免道路阻塞。

普通方法调用和多线程

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程序-进程-线程

在操作系统中运行的程序就是进程。

一个进程可以有多个线程，如视频中同时听声音、看图像、看弹幕等等。

Process与Thread

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。

进程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。

通常一个进程可以包含若干个线程，线程是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。如果是模拟出来的多线程，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

  • 线程就是独立的执行路径；
  • 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；
  • main()称之为主线程，为系统的入口，用于执行整个程序；
  • 在一个进程中，如果开辟了多个线程，线程的运行由调度器安排调度，调度器是与操作系统紧密相关的，先后顺序是不能人为的干预的；
  • 对某一份资源操作时，会存在资源抢夺的问题，需要加入并发控制；
  • 线程会带来额外的开销，如CPU调度时间，并发控制开销；
  • 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-三种方式

Thread class

继承Thread类（重点）

步骤：

  • 自定义线程类继承Thread类
  • 重写run()方法，编写线程执行体
  • 创建线程对象，调用start()方法启动线程
package ThreadStudy;
//创建线程方式一：继承Thread类，重写run()方法，调用start开启线程
public class TestThread1 extends Thread{
    public void run() {
        //run方法线程体
        for(int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("这里是run方法");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        //主方法 main线程 主线程
        //创建一个线程对象
        TestThread1 testThread1 = new TestThread1();
        //调用start()方法开启线程
        testThread1.start();
        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("这里是main方法");
        }
    }
}

结果：两个线程交替执行。

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注意

  • 线程不一定立即执行，由CPU安排调度；
  • 要调用start()方法才是多线程执行，调用run()方法会先执行run()这个线程，再执行main()这个线程。

Runnable接口

实现Runnable接口（重点）

步骤：

  • 定义MyRunnable类实现Runnable接口
  • 实现run()方法，编写线程执行体
  • 创建线程对象，调用start()方法启动线程
package ThreadStudy;
//创建线程方式2：实现Runnable接口，重写run方法，执行线程需要丢入Runnable接口实现类，调用start方法
public class TestThread2 implements Runnable{
    public void run() {
        //run方法线程体
        for(int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("这里是run方法");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        //主方法 main线程 主线程
        //创建Runnable接口的实现类对象
        TestThread2 testThread2 = new TestThread2();
        //创建线程对象，通过线程对象来开启我们的线程，代理
        Thread thread = new Thread(testThread2);
        //调用线程的start()方法
        thread.start();
        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("这里是main方法");
        }
    }
}

结果：同样是交替执行。

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注意

推荐使用Runnable对象，因为Java单继承的局限性。

对比

继承Thread类

  • 子类继承Thread类具备多线程能力
  • 启动线程：子类对象.start()
  • 不建议使用：避免OOP单继承局限性

实现Runnable接口

  • 实现接口Runnable具有多线程能力
  • 启动线程：传入目标对象+Thread对象.start()
  • 推荐使用：避免单继承局限性，灵活方便，方便用一个对象被多个线程使用 多个线程同时操作同一个对象的例子
package ThreadStudy;
//多个线程同时操作同一个对象
//买火车票的例子
public class TestThread3 implements Runnable{
    //票数
    private int ticketNums = 10;

    public void run() {
        while (ticketNums > 0) {
            //模拟延时
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->拿到了第" + ticketNums-- + "票");
        }
    }
    public static void main (String[] args) {
        TestThread3 ticket = new TestThread3();
        new Thread(ticket, "小明").start();
        new Thread(ticket, "老师").start();
        new Thread(ticket, "黄牛").start();
    }
}

结果：多个线程操作同一个资源的情况下，线程不安全，数据紊乱。

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案例：龟兔赛跑

1.首先设定赛道距离，离终点要越来越近；

2.判断比赛是否结束；

3.打印出胜利者；

4.龟兔赛跑开始；

5.模拟兔子睡觉；

6.最终，乌龟赢得比赛。

package ThreadStudy;
//模拟龟兔赛跑
public class Race implements Runnable{
    //胜利者
    private static String winner;

    public void run() {
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            //模拟兔子休息
            if (Thread.currentThread().getName().equals("兔子") && i % 90 == 0) {
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            //判断比赛是否结束
            boolean flag = gameOver(i);
            //如果比赛已经结束，就停止程序
            if (flag) {
                break;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->跑了" + i + "步");
        }
    }

    //判断是否完成比赛
    private boolean gameOver(int steps) {
        //判断是否有胜利者
        if (winner != null) {
            return true;
        }
        if (steps >= 100) {
            winner = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println("winner is" + winner);
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Race race = new Race();

        new Thread(race,"兔子").start();
        new Thread(race,"乌龟").start();
    }
}

结果：

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Callable

实现Callable接口（了解）

1.实现Callable接口，需要返回值类型；

2.重写call方法，需要抛出异常；

3.创建目标对象（和前两种方式一样）；

4.创建执行服务：ExecutorService ser = Excutors.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()。

callable的好处

  • 可以定义返回值；
  • 可以抛出异常。

静态代理

以结婚和婚庆公司为例，婚庆公司调用HappyMarry()，代理了“new You()“这个对象。

package ThreadStudy;

public class StaticProxy {
    public static void main(String[] args) {
        WeddingCompany weddingCompany = new WeddingCompany(new You());
        weddingCompany.HappyMarry();
    }
}

interface Marry {
    void HappyMarry();
}

//真实角色，你去结婚
class You implements Marry {
    public void HappyMarry() {
        System.out.println("秦老师要结婚了，超开心");
    }
}

//代理角色，帮助你结婚
class WeddingCompany implements Marry {
    //代理--》找到真实对象
    private Marry target;

    public WeddingCompany(Marry target) {
        this.target = target;
    }
    public void HappyMarry() {
        before();
        this.target.HappyMarry(); //这就是真实对象
        after();
    }

    public void before() {
        System.out.println("结婚之前，布置现场");
    }

    public void after() {
        System.out.println("结婚之后，收尾款");
    }
}

结果：

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静态代理模式总结

  • 真实对象和代理对象都要实现同一个接口；
  • 代理对象要代理真实角色。

静态代理的好处

  • 代理对象可以做很多真实对象做不了的事情；
  • 真实对象专注做自己的事情。

Lambda表达式

  • λ\lambda是希腊字母表中排序第十一位的字母，英文名称为Lambda。
  • 避免匿名内部类定义过多。
  • 其实质属于函数式编程的概念。
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为什么要使用lambda表达式

  • 避免匿名内部类定义过多；
  • 可以让你的代码看起来更简洁；
  • 去掉类一堆没有意义的代码，只留下核心的逻辑。

函数式接口（Functional Interface)）

  • 任何接口，如果只包含唯一一个抽象方法，那么它就是一个函数式接口。
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}
  • 对于函数式接口，我们可以通过lambda表达式来创建该接口的对象。

lambda推导举例1

package LambdaStudy;

//推导lambda表达式
public class TestLambda1 {
    //3.静态内部类
    static class Like2 implements ILike {
        @Override
        public void lambda() {
            System.out.println("i like lambda2");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ILike like = new Like();
        like.lambda(); //输出i like lambda

        like = new Like2();
        like.lambda(); //输出i like lambda2

        //4.局部内部类
        class Like3 implements ILike {
            @Override
            public void lambda() {
                System.out.println("i like lambda3");
            }
        }

        like = new Like3();
        like.lambda(); //输出i like lambda3

        //5.匿名内部类，没有类的名称，必须借助接口或者父类
        like = new ILike() {
            @Override
            public void lambda() {
                System.out.println("i like lambda4");
            }
        };
        like.lambda(); //输出i like lambda4

        //6.用lambda简化
        like = ()-> {
            System.out.println("i like lambda5");
        };
        like.lambda(); //输出i like lambda5
    }
}

//1.定义一个函数式接口
interface ILike {
    void lambda();
}

//2.实现类
class Like implements ILike {
    @Override
    public void lambda() {
        System.out.println("i like lambda");
    }
}

结果：

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lambda推导举例2（带参数+简化）

package LambdaStudy;

public class TestLambda2 {

    public static void main(String[] args) {
        /*
        //原始lambda
        ILove love = (String name)->{
            System.out.println("i love you " + name);
        };

        //1.简化参数类型
        ILove love = (name)->{
            System.out.println("i love you " + name);
        };

        //2.简化括号
        ILove love = name->{
            System.out.println("i love you " + name);
        };
        */

        //3.去掉花括号
        ILove love = name -> System.out.println("i love you " + name);
        love.love("Marry");
    }
}

interface ILove {
    void love(String name);
}

结果：

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总结

  • lambda表达式只能有一行代码的情况下才能简化成为一行，如果有多行，那么就用代码块包裹；
  • 前提是接口为函数式接口；
  • 多个参数也可以去掉参数类型，但一个去掉就都要去掉，并加上一个括号。

线程状态

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线程方法

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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。
  • 建议使用一个标识位作为终止变量，当flag==false，则终止线程运行。
package Status;

//测试stop
public class TestStop implements Runnable{

    //1.设置一个标识位
    private boolean flag = true;

    @Override
    public void run() {
        int i = 0;
        while (flag) {
            System.out.println("run...Thread " + i++);
        }
    }

    //2.设置一个公开的方法停止线程，转换标志位
    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 < 10; i++) {
            System.out.println("main " + i);
            if (i == 8) {
                //调用stop方法切换标志位，让线程停止
                testStop.stop();
                System.out.println("线程已停止");
            }
        }
    }
}

结果：

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线程休眠

  • sleep（时间）指定当前线程阻塞的毫秒数；
  • sleep存在异常InterruptedException；
  • 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。

案例：

1.模拟网络延时--放大问题的发生性（抢票例子）

2.倒计时（10、9、8、...、1）

package Status;

//模拟倒计时
public class TestSleep2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            tenDown();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void tenDown() throws InterruptedException {
        int num = 10;
        while (num > 0) {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(num--);
        }
    }
}

3.打印当前系统时间

public class TestSleep2 {
    public static void main(String[] args) {
        //打印当前系统时间
        Date startTime = new Date(System.currentTimeMillis()); //获取系统当前时间
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(startTime));
                startTime = new Date(System.currentTimeMillis()); //更新当前时间
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

线程礼让

  • 礼让线程，让当前正在执行的线程暂停，但不阻塞；
  • 将线程从运行状态转为就绪状态；
  • 让CPU重新调度，礼让不一定成功。
package Status;
//测试礼让线程
//礼让不一定成功，看CPU调度
public class TestYield {
    public static void main(String[] args) {
        MyYield myYield = new MyYield();

        new Thread(myYield,"a").start();
        new Thread(myYield,"b").start();
        new Thread(myYield,"c").start();
    }
}
class MyYield implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程开始执行");
        Thread.yield(); //礼让
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程停止执行");
    }
}

结果：这里了礼让成功了。

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Join

  • Join合并线程，待此线程执行完成后，再执行其他线程，其他线程阻塞；
  • 可以想象成插队。
package Status;

//测试join方法
public class TestJoin implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程vip来了 " + i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //启动我们的线程
        TestJoin testJoin = new TestJoin();
        Thread thread = new Thread(testJoin);
        thread.start();

        //主线程
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            if (i == 200) {
                thread.join(); //插队
            }
            System.out.println("main " + i);
        }
    }
}

结果：在run线程中加sleep可使结果更明显。

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线程状态观测

Thread.State

  • NEW：尚未启动的线程处于此状态；
  • RUNNABLE：在Java虚拟机中执行的线程处于此状态；
  • BLOCKED：被阻塞等待监视器锁定的线程处于此状态；
  • WAITING：正在等待另一个线程执行特定动作的线程处于此状态；
  • TIMED_WAITING：正在等待另一个线程执行动作达到指定等待时间的线程处于此状态；
  • TERMINATED：已退出的线程处于此状态。

一个线程可以在给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。

package Status;

public class TestState {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 2; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(200);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("///////");
        });

        //观察状态
        Thread.State state = thread.getState();
        System.out.println(state); //NEW

        //观察启动后
        thread.start(); //启动线程
        state = thread.getState();
        System.out.println(state); //Run

        while (state != Thread.State.TERMINATED) { //只要线程不终止，就一直输出状态
            try {
                Thread.sleep(100);
                state = thread.getState(); //更新线程状态
                System.out.println(state); //输出线程状态
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

结果：线程一旦进入死亡状态，就不可以再次启动。

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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 / Thread.MAX_PRIORITY = 10 / Thread.NORM_PRIORITY = 5

  • 使用以下方式改变或获取优先级

    getPriority() / setPriority(int xx)

package Status;

//测试线程的优先级
public class TestPriority{
    public static void main(String[] args) {
        //主线程默认优先级
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + Thread.currentThread().getPriority());

        MyPriority myPriority = new MyPriority();

        Thread t1 = new Thread(myPriority);
        Thread t2 = new Thread(myPriority);
        Thread t3 = new Thread(myPriority);
        Thread t4 = new Thread(myPriority);
        Thread t5 = new Thread(myPriority);
        Thread t6 = new Thread(myPriority);

        //先设置优先级，再启动线程
        t1.start();

        t2.setPriority(1);
        t2.start();

        t3.setPriority(4);
        t3.start();

        t4.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        t4.start();

        t5.setPriority(8);
        t5.start();

        t6.setPriority(7);
        t6.start();
    }
}

class MyPriority implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + Thread.currentThread().getPriority());
    }
}

结果：优先级低只是意味着获得调度的概率低，并不是优先级低就不会被调用了。这都是看CPU的调度。

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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，垃圾回收等待...
package Status;

//测试守护线程
//上帝守护你
public class TestDaemon {

    public static void main(String[] args) {
        God god = new God();
        You you = new You();

        Thread thread = new Thread(god);
        thread.setDaemon(true); //默认是false表示是用户线程，正常的线程都是用户线程

        thread.start(); //上帝守护线程启动，用户线程结束后，守护线程也会结束

        new Thread(you).start(); //你 用户线程启动
    }
}

//上帝
class God implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println("上帝保佑你");
        }
    }
}

//你
class You implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 36500; i++) {
            System.out.println("你一生都开心地活着");
        }
        System.out.println("-=====GoodBye World!=====-");
    }
}

结果：

截屏2023-03-19 22.09.35.png

线程同步（重点）

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。

线程同步

处理多线程问题，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，这时候就需要线程同步。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，等待前面线程使用完毕，下一个线程再使用。

由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，再带来方便的同时，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：

  • 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起；
  • 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；
  • 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倒置，引起性能问题。

队列和锁

线程同步的形成条件，为了解决线程不安全的问题。

三大不安全案例

1.买票问题

package syn;
//不安全的买票
public class UnsafeBuyTicket {

    public static void main (String[] args) {
        BuyTicket ticket = new BuyTicket();
        new Thread(ticket, "小明").start();
        new Thread(ticket, "老师").start();
        new Thread(ticket, "黄牛").start();
    }
}

class BuyTicket implements Runnable {
    private int ticketNums = 10;
    boolean flag = true; //外部停止方式

    @Override
    public void run() {
        //买票
        while (flag) {
            //模拟延时
            try {
                buy();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
    public void buy() throws InterruptedException{
        if (ticketNums == 0) {
            flag = false;
            return;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->拿到了第" + ticketNums-- + "票");
    }

}

结果：

截屏2023-03-19 22.15.45.png

2.取钱问题

package syn;
   
//不安全的取钱
//两个人去银行取钱，账户
public class UnsafeBank {
    public static void main(String[] args) {
        //账户
        Account account = new Account(100,"留学基金");

        Drawing you = new Drawing(account,50,"you");
        Drawing sister = new Drawing(account,60,"sister");

        you.start();
        sister.start();
    }

}

//账户
class Account {
    int money; //余额
    String name; //卡名

    public Account(int money, String name) {
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}

//银行：模拟取款
class Drawing extends Thread {
    Account account; //账户
    //取了多少钱
    int drawingMoney;
    //现在手里有多少钱
    int nowMoney;
    public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name) {
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;
    }

    @Override
    public void run() {
        //判断有没有钱
        if (account.money < drawingMoney) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够，取钱失败");
            return;
        }
        //sleep可以放大问题的发生性
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //够减的情况
        account.money -= drawingMoney;
        //手头的钱
        nowMoney += drawingMoney;

        System.out.println(account.name + "余额为：" + account.money);
        //Thread.currentThread().getName == this.getName()
        System.out.println(this.getName() + "手里的钱：" + nowMoney);
    }
}

结果：

截屏2023-03-19 22.38.09.png

3.集合问题

package syn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

//线程不安全的集合
public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }
        //sleep可以放大问题的发生性
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}

结果：

截屏2023-03-19 22.45.52.png

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块。

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

  • synchronized方法控制对“对象”的访问，每个对象对应一把锁，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

  • 方法里面需要修改的内容才需要锁，锁的太多，浪费资源； 截屏2023-03-20 11.36.31.png

同步块

  • 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，或者是class。

  • 同步监视器的执行过程

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

1.买票问题

//synchronized 同步方法，锁的是this
public synchronized void buy() throws InterruptedException{
    if (ticketNums == 0) {
        flag = false;
        return;
    }

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->拿到了第" + ticketNums-- + "票");
}

结果：按顺序拿，且没有负数。

截屏2023-03-20 11.48.04.png

2.取钱问题

package syn;

//不安全的取钱
//两个人去银行取钱，账户
public class UnsafeBank {
    public static void main(String[] args) {
        //账户
        Account account = new Account(100,"留学基金");

        Drawing you = new Drawing(account,50,"you");
        Drawing sister = new Drawing(account,60,"sister");

        you.start();
        sister.start();
    }
}

//账户
class Account {
    int money; //余额
    String name; //卡名

    public Account(int money, String name) {
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}

//银行：模拟取款
class Drawing extends Thread {
    Account account; //账户
    //取了多少钱
    int drawingMoney;
    //现在手里有多少钱
    int nowMoney;
    public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name) {
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;
    }
    //synchronized 默认锁的是this
    //锁的对象就是变化的量，需要增删改的对象
    @Override
    public void run() {
        synchronized (account) {
            //判断有没有钱
            if (account.money < drawingMoney) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够，取钱失败");
                return;
            }
            //sleep可以放大问题的发生性
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            //够减的情况
            account.money -= drawingMoney;
            //手头的钱
            nowMoney += drawingMoney;

            System.out.println(account.name + "余额为：" + account.money);
            //Thread.currentThread().getName == this.getName()
            System.out.println(this.getName() + "手里的钱：" + nowMoney);
        }
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 11.52.32.png

3.集合问题

package syn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

//线程不安全的集合
public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(()->{
                synchronized (list) {
                    list.add(Thread.currentThread().getName());
                }
            }).start();
        }
        //sleep可以放大问题的发生性
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 11.56.32.png

CopyOnWriteArrayList

package syn;

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

//测试JUC安全类型的集合
public class TestJUC {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(() -> {
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }

        //sleep可以放大问题的发生性
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(list.size());
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 12.10.08.png

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，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，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。

死锁的例子

package ThreadStudy;

//死锁：多个线程互相抱着对方需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        Makeup g1 = new Makeup(0, "灰姑娘");
        Makeup g2 = new Makeup(1, "白雪公主");

        g1.start();
        g2.start();
    }
}

//口红
class Lipstick {

}

//镜子
class Mirror {

}

class Makeup extends Thread {

    //需要的资源只有一份，用static来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();

    int choice; //选择
    String girlName; //使用化妆品的人

    Makeup(int choice, String girlName) {
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }

    //一旦继承Thread类，就要写run()方法
    @Override
    public void run() {
        //化妆
        makeup();
    }
    //化妆，互相持有对方的锁，就是需要拿到对方的资源
    private void makeup() {
        if (choice == 0) {
            synchronized (lipstick) { //获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
                //sleep可以放大问题的发生性
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (mirror) {//一秒钟后想获得镜子
                    System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                }
            }
        } else {
            synchronized (mirror) { //获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                //sleep可以放大问题的发生性
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lipstick) {//一秒钟后想获得口红
                    System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
                }
            }
        }
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 13.12.29.png

解除死锁：

package ThreadStudy;

//死锁：多个线程互相抱着对方需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        Makeup g1 = new Makeup(0, "灰姑娘");
        Makeup g2 = new Makeup(1, "白雪公主");

        g1.start();
        g2.start();
    }
}

//口红
class Lipstick {

}

//镜子
class Mirror {

}

class Makeup extends Thread {

    //需要的资源只有一份，用static来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();

    int choice; //选择
    String girlName; //使用化妆品的人

    Makeup(int choice, String girlName) {
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }

    //一旦继承Thread类，就要写run()方法
    @Override
    public void run() {
        //化妆
        makeup();
    }
    //化妆，互相持有对方的锁，就是需要拿到对方的资源
    private void makeup() {
        if (choice == 0) {
            synchronized (lipstick) { //获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
                //sleep可以放大问题的发生性
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            synchronized (mirror) {//一秒钟后想获得镜子
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
            }
        } else {
            synchronized (mirror) { //获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                //sleep可以放大问题的发生性
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            synchronized (lipstick) {//一秒钟后想获得口红
                System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
            }
        }
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 13.14.28.png

死锁避免方法

  • 产生死锁的四个必要条件
    • 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用；
    • 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；
    • 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；
    • 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。

Lock（锁）

  • 从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制--通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。
  • java.util.concurrent.locks.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先获得Lock对象。
  • ReentrantLock类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。
package Advanced;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

//测试Lock锁
public class TestLock {
    public static void main(String[] args) {
        TestLock2 testLock2 = new TestLock2();

        new Thread(testLock2).start();
        new Thread(testLock2).start();
        new Thread(testLock2).start();
    }
}

class TestLock2 implements Runnable {

    int ticketNums = 10;

    //定义lock锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (ticketNums > 0) {
            lock.lock(); //加锁
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + ticketNums--);
            } finally {
                //解锁
                lock.unlock();
                //sleep可以放大问题的发生性
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 13.52.33.png

synchronized与Lock的对比

  • Lock是显式锁（手动开启或关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放；

  • Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁；

  • 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）

  • 优先使用顺序：

    • 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；
  • 如果仓库中放有产品，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。

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互相依赖，互为条件。

  • 对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费者等待。而生产了产品之后，又需要马上通知消费者消费；
  • 对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费；
  • 在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的：
    • synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步；
    • 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：

截屏2023-03-20 14.10.18.png

注意：

均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出异常IIIegalMonitorStateException。

解决方式1

并发协作模型“生产者/消费者模式”--->管程法。

  • 生产者：负责生产数据的模块（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”。

生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据。 截屏2023-03-20 14.04.30.png

package Advanced;
//测试：生产者消费者模型-->利用缓冲区解决：管程法
//生产者，消费者，产品，缓冲区
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer container = new SynContainer();

        new Productor(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

//生产者
class Productor extends Thread {
    SynContainer container;
    public Productor(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }

    //生产
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            container.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了第" + i + "只鸡");
        }
    }
}

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

    //消费
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("消费了第" + container.pop().id + "只鸡");
        }
    }
}

//产品
class Chicken {
    //产品编号
    int id;
     public Chicken(int id) {
         this.id = id;
     }
}

//缓冲区
class SynContainer {
    //需要一个容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    //容器计数器
    int count = 0;
    //生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken) {
        //如果容器满了，就需要等待消费者消费
        if (count == chickens.length) {
            //通知消费者消费，生产等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果没有满，我们就需要丢入产品
        chickens[count] = chicken;
        count++;

        //可以通知消费者消费了
        this.notifyAll();
    }

    //消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop() {
        //如果容器满了，就需要等待消费者消费
        if (count == 0) {
            //等待生产者生产，消费者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];

        //通知生产者生产
        this.notifyAll();

        return chicken;
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 14.50.25.png

解决方式2

并发协作模型“生产者/消费者模式”--->信号灯法。

package Advanced;

//测试生产者消费者问题2：信号灯法，标志位解决
public class TestPc2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();

        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}

//生产者-->演员
class Player extends Thread {
    TV tv;
    public Player(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                this.tv.play("快乐大本营播放中");
            } else {
                this.tv.play("抖音：记录美好生活");
            }
         }
    }
}

//消费者-->观众
class Watcher extends Thread {
    TV tv;
    public Watcher(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
           tv.watch();
        }
    }
}

//产品-->节目
class TV {
    //演员表演，观众等待
    //观众观看，演员等待
    String voice; //表演的节目
    boolean flag = true; //标志位

    //表演
    public synchronized void play(String voice) {
        if (!flag) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("演员表演了：" + voice);
        //通知观众观看
        this.notifyAll(); //通知唤醒
        this.voice = voice;
        this.flag = !this.flag;
    }

    //观看
    public synchronized void watch() {
        if (flag) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观众观看了：" + voice);

        //通知演员表演
        this.notifyAll(); //通知唤醒
        this.flag = !this.flag;
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 15.04.35.png

使用线程池

  • 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。
  • 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。
package Advanced;

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

//测试线程池
public class TestPool {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建服务，创建线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        //2.关闭连接
        service.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 15.21.08.png

多线程总结

package Advanced;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

//回顾总结线程的创建
public class ThreadNew {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //1.
        new MyThread1().start();
        //2.
        new Thread(new MyThread2()).start();
        //3.
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(new MyThread3());
        new Thread(futureTask).start();
        Integer integer = futureTask.get();
        System.out.println(integer);
    }
}

//1.继承Thread类
class MyThread1 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread1");
    }
}

//2.实现Runnable接口
class MyThread2 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread2");
    }
}

//3.实现Callable接口
class MyThread3 implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("MyThread3");
        return 100;
    }
}

结果：

截屏2023-03-20 15.29.07.png

总结

大二学的操作系统，现在很多都忘记了，这些基础现在看来真的挺重要的，所以希望能趁这次学习Java，把它们都捡回来。感谢狂神的视频！

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