Java多线程探究【四线程协作】

川长思鸟来 2024-04-01 01:35 107阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  一 线程协作——生产者和消费者模式
 *   *  1.1 线程通讯
     *   *  1.1.1 引子
     *  1.2 分析
     *  1.3 java提供的解决方法
     *  1.4 解决方式一：管程法通信【优化版】
     *   *  1.4.1 问题的分析
         *  1.4.2 两个优化的地方
         *  1.4.3 完整代码
     *  1.5 解决方式二：信号灯法
     *  线程池
 *  二 复习
 *   *  2.1 创建

## 一 线程协作——生产者和消费者模式 ##

### 1.1 线程通讯 ###

#### 1.1.1 引子 ####

*  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，生产这件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，否则停止生产并等待，直到仓库中再次放入产品为止。

### 1.2 分析 ###

*  这是一个线程同步的问题，生产者和消费者共享一个资源，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，要通知消费者等待；生产产品之后，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。
 *  在生产者消费者之间，仅有synchronized是不够的
    
     *  synchronized 可阻止并发更新同一个资源共享，实现同步
     *  ***synchronized 不能用来实现不同线程之间的消息传递。【即 通讯】***

### 1.3 java提供的解决方法 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法名</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>wait()</td> 
   <td>表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，会释放锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>wait(long timeout)</td> 
   <td>指定等待的毫秒数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>notify()</td> 
   <td>唤醒一个处于等待状态的线程</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>notifyAll()</td> 
   <td>唤醒同一个对象上所有的调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调用</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> 注意：以上方法均是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IegalMonitorStateException

### 1.4 解决方式一：管程法通信【优化版】 ###

*  并发协作模式“Producer Consumer Model”–>线程法
    
     *  生产者：负责生产数据的模块（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，之间存在一个超市“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

#### 1.4.1 问题的分析 ####

*  数组下标越界的问题
    
     *  1.  ***一个生产者和一个消费者是不会出现下标越界的情况。***
     *  消***费者wait()释放对象锁权限让出CPU，只会是唯一的生产者重新拿到锁权限进行生产，这样的话不消费就生产，不生产就消费，是不会出现下标越界的。***
     *  1.  多个消费者就会出现下标越界的情况
        
         *  **wait()表示持有对象锁的线程准备释放对象锁权限和让出 cpu 资源并进入等待状态**
         *  。如果有多个消费者，比如X1，X2假如此时X1，X2都处于wait状态，这时容量为0了生产者拿到锁，生产者生产了1个资源让出锁，X1拿到锁消费完之后容量又刚好为0，然后X1释放锁notifyAll通知JVM去唤醒所有竞争Container对象锁的线程，如果这个锁被X2拿到，那么就会导致0–出现数组下标越界的问题，***解决方案暂时只想到把消费的if(index <=0)换成while就是让消费者线程被唤醒的时候不要立刻执行下面的代码，而是再去判断当前容量。***
         *  因为notify唤醒沉睡的线程后，线程会接着上次的执行继续往下执行（需要注意的是，执行wait()的线程被notify唤醒的时候，只是让while循环继续往下走，如果用if的话，继续往下走意味着跳出if语句块），所以必须使用while循环阻塞。
         *  判断count0或者count10的时候，要用while而不是if。线程醒来如果是在if判断里不会重新判断，直接就运行下面代码，多个消费者情况下会出现这个错误，有第一个消费者把所有商品都消费完了，数组下标为0了，但是第二个消费者线程消费时，不会重新判断数组下标，此时就会继续执行下面代码，0-1=-1，出现下标越界错误

while (index <= 0) {
        
         try {
        
             this.wait();
         } catch (InterruptedException e) {
        
             e.printStackTrace();
         }
     }

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*  先消费后生产的问题
    
     *  生产商品和消费商品操作不符合原子性。输出语句要写在synchronized代码块里，保证操作的原子性.生产了1-10，正常来说从10开始消费，但是因为输出语句没写对位置，生产完0之后已经开始消费，但是刚pop完，准备输出语句，但是线程被夺走了

#### 1.4.2 两个优化的地方 ####

1.  原来的生产商品和消费商品操作不符合原子性
    
     *  输出语句要写在synchronized代码块里，保证操作的原子性

//如果没有满，就放入产品
            products[count]=product;
            count++;
            System.out.println("生产了第"+product.id+"个产品");

//正常消费
            count--;
            Product product=products[count];
            System.out.println("消费了-->第"+product.id+"个产品");

1.  数组下标越界 在多线程中要测试某个条件的变化时（尤其是用于线程通信的条件判断）不要选择if，而是选择while去判断。因为notify唤醒沉睡的线程后，线程会接着上次的执行继续往下执行（需要注意的是，执行wait()的线程被notify唤醒的时候，只是让while循环继续往下走，如果用if的话，继续往下走意味着跳出if语句块），所以必须使用while循环阻塞。

//生产者放入产品
        public synchronized void push(Product product) {
        
            //如果容器满了，就需要等待消费
           while(count==products.length) {
        
                //通知消费者消费，停止生产
                try {
        
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            //如果没有满，就放入产品
            products[count]=product;
            count++;
            System.out.println("生产了第"+product.id+"个产品");
            //通知消费者消费
            this.notifyAll();
        }
        //消费者消费产品
        public synchronized Product pop() {
        
            //判断是否能够消费
            while(count==0) {
        
                //等待生产者生产，消费者等待
                try {
        
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            //正常消费
            count--;
            Product product=products[count];
            System.out.println("消费了-->第"+product.id+"个产品");
            //消费完了，通知生产者生产
            this.notifyAll();
            return product;
        }

#### 1.4.3 完整代码 ####

/**
     * @author 缘友一世
     * date 2022/11/12-13:27
     */
    public class TestProducerConsumer {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            SynContainer container = new SynContainer();
            new Producer(container).start();
            new Consumer(container).start();
        }
    }
    class Producer extends Thread {
        
        //Container
        /*Container 类表示容器，它是一种特殊的组件，可以用来容纳其他组件，
        Container 又分为两种类型，分别是 Window 和 Panel；*/
    
        SynContainer container;
    
        public Producer(SynContainer container) {
        
            this.container = container;
        }
    
        @Override
        public void run() {
        
            for(int i=1;i<=20;i++) {
        
                container.push(new Product(i));
            }
        }
    }
    class Consumer extends Thread {
        
        SynContainer container;
    
        public Consumer(SynContainer container) {
        
            this.container = container;
        }
    
        @Override
        public void run() {
        
            for(int i=1;i<=20;i++) {
        
                container.pop();
            }
        }
    }
    class Product {
        
        int id;
    
        public Product(int id) {
        
            this.id = id;
        }
    
    }
    
    class SynContainer {
        
        //需要一个容器的大小
        Product[] products=new Product[10];
        //容器技术器
        int count=0;
        //生产者放入产品
        public synchronized void push(Product product) {
        
            //如果容器满了，就需要等待消费
           while(count==products.length) {
        
                //通知消费者消费，停止生产
                try {
        
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            //如果没有满，就放入产品
            products[count]=product;
            count++;
            System.out.println("生产了第"+product.id+"个产品");
            //通知消费者消费
            this.notifyAll();
        }
        //消费者消费产品
        public synchronized Product pop() {
        
            //判断是否能够消费
            while(count==0) {
        
                //等待生产者生产，消费者等待
                try {
        
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            //正常消费
            count--;
            Product product=products[count];
            System.out.println("消费了-->第"+product.id+"个产品");
            //消费完了，通知生产者生产
            this.notifyAll();
            return product;
        }
    }

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### 1.5 解决方式二：信号灯法 ###

*  并非协作模式“Producer Consumer Model”–>信号灯法

/**
     * @author 缘友一世
     * date 2022/11/12-18:00
     */
    //生产者和消费者模型-->利用缓冲区解决：管城法
    public class TestPW {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            TV tv = new TV();
            new Player(tv).start();
            new Watcher(tv).start();
            
        }
    }
    class Player extends Thread {
        
        TV tv;
        public Player(TV tv) {
        
            this.tv=tv;
        }
    
        @Override
        public void run() {
        
            for(int i=0;i<10;i++) {
        
                if(i%2==0) {
        
                    this.tv.play("庆余年");
                }else {
        
                    this.tv.play("花千骨");
                }
            }
        }
    }
    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();
            }
        }
    }
    class TV {
        
        String voice;//表演的节目
        boolean flag=true;
        //表演
        public synchronized void play(String voice) {
        
            if(!flag) {
        
                try {
        
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            System.out.println("演员准备完成"+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() {
        
            //演员正在准备
            if(flag) {
        
                try {
        
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            System.out.println("观众观看了"+voice);
            //通知演员表演
            this.notifyAll();
            this.flag=!flag;
        }
    }

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### 线程池 ###

*  背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源对性能影响很大。。比如：并发情况下的线程。
 *  思路：我们可以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。
 *  优势：
    
     *  提高响应速度
     *  降低资源消耗
     *  便于线程管理。
 *  线程池的几个参数
    
     *  corePoolSize:核心池的大小
     *  maximumPoolSize:最大线程数
     *  KeepAliveTime:线程没有任务时的生命期限。

/**
     * @author 缘友一世
     * date 2022/11/12-18:31
     */
    public class TestPool {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //1 创建服务，创建线程池。
            ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
            //执行
            service.execute(new MyThread());
            service.execute(new MyThread());
            service.execute(new MyThread());
            service.execute(new MyThread());
        }
    }
    class MyThread implements Runnable {
        
        @Override
        public void run() {
        
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }

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## 二 复习 ##

### 2.1 创建 ###

import java.util.concurrent.Callable;
    import java.util.concurrent.ExecutionException;
    import java.util.concurrent.FutureTask;
    
    /**
     * @author 缘友一世
     * date 2022/11/12-18:36
     */
    public class TestReview {
        
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        
            new MyThread1().start();
    
            new Thread(new MyThread2()).start();
    
            FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new MyThread3());
            new Thread(futureTask).start();
    
            System.out.println(futureTask.get());
        }
    }
    //1 继承Thread类
    class MyThread1 extends Thread {
        
        @Override
        public void run() {
        
            System.out.println("myThread1-->继承Thread类");
        }
    }
    //2 实现Runnable接口
    class MyThread2 implements Runnable {
        
        @Override
        public void run() {
        
            System.out.println("myThread2-->实现Runnable接口");
        }
    }
    //3 实现Callable接口
    class MyThread3 implements Callable<Integer> {
        
    
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
        
            System.out.println("myThread3-->实现Callable接口");
            return 1;
        }
    }

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[ed71cfd48c044fe7bd8b97eafbf33e4c.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/157749c7e3bf43d8809df16fbf4bfe7c.png
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[6420dea304be450693208d93ed1cc340.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/4ce64ad2791f492493c09b4c3d4a61d7.png
[0ccd1c689c284573bcb3ec59c8dad41d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/2a240609cab94ee994299b23efe8ebd6.png