【Java高级编程】多线程

矫情吗；* 2023-10-12 23:01 44阅读 0赞

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#### 多线程 ####

*   *   *  1、基本概念：程序、进程、线程
         *   *  1.1、程序
             *  1.2、进程
             *  1.3、线程
             *  1.4、单核CPU和多核CPU的理解
             *  1.5、并行与并发
             *  1.6、使用多线程的优点
             *  1.7、何时需要多线程
         *  2、线程的创建和使用
         *   *  2.1、创建多线程的方式一：继承Thread类
             *  2.2、Thread类的有关方法
             *  2.3、线程的调度
             *  2.4、线程的优先级
             *  2.5、创建多线程的方式二：实现Runnable接口
             *  2.6、比较创建线程的两种方式
         *  3、线程的生命周期
         *  4、线程的同步
         *   *  4.1、线程同步方式一：同步代码块
             *  4.2、线程同步方式二：同步方法
             *  4.3、设计模式：单例模式
             *  4.4、线程的死锁问题
             *  4.5、线程同步方式三：Lock（锁）
         *  5、线程的通信
         *  6、JDK5.0新增线程创建方式
         *   *  6.1、新增方式一：实现Callable接口
             *  6.2、新增方式二：使用线程池
         *  7、附加：关于锁的操作
         *   *  7.1、释放锁的操作
             *  7.2、不会释放锁的操作
     *  二、Java常用类

#### 1、基本概念：程序、进程、线程 ####

##### 1.1、程序 #####

*  概念：是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码。

##### 1.2、进程 #####

*  概念：程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。
 *  说明：进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。

##### 1.3、线程 #####

*  概念：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。
 *  说明：线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc)，线程切换的开销小。
 *  每个线程，拥有自己独立的：虚拟机栈、程序计数器
 *  多个线程，共享同一个进程中的结构：方法区、堆

##### 1.4、单核CPU和多核CPU的理解 #####

*  单核CPU，其实是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。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。
 *  一个Java应用程序java.exe，其实至少有三个线程：main()主线程，gc()垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。

##### 1.5、并行与并发 #####

*  并行：多个CPU同时执行多个任务。
 *  并发：一个CPU（采用时间片）同时执行多个任务。

##### 1.6、使用多线程的优点 #####

*  背景：以单个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

##### 1.7、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。

#### 2、线程的创建和使用 ####

##### 2.1、创建多线程的方式一：继承Thread类 #####

*  1、创建一个继承于Thread类的子类
 *  2、重写Thread类的run() --> 将此线程执行的操作声明在run()中
 *  3、创建Thread类的子类的对象
 *  4、通过此对象调用start()，start()的作用：
    
     *  1、启动当前线程
     *  2、调用当前线程的run()

//1、创建一个继承于Thread类的子类
    class MyThread extends Thread {
        //2、重写Thread类的run()
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                if (i % 2 == 0) {
                    System.out.println(i);
                }
            }
        }
    }
    
    public class ThreadTest {
        public static void main(String[] args) {
            //3、创建Thread类的子类的对象
            MyThread t1 = new MyThread();
    
            //4、通过此对象调用start()
            t1.start();
    
            // 或者通过创建Thread类的匿名子类的方式
            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();
        }
    }

*  注意点1：我们不能通过直接调用run()的方式启动线程
 *  注意点2：再启动一个线程需要重新创建一个线程的对象，不可以让已经start()的线程再start()，否则会报IllegalThreadStateException异常

##### 2.2、Thread类的有关方法 #####

*  void start():启动当前线程，调用当前线程的run()
 *  run():通常需要重写Thread类中的此方法，将创建的线程要执行的操作声明在此方法中
 *  String getName():获取当前线程的名字
 *  void setName(String name):设置当前线程的名字
 *  static Thread currentThread():静态方法，获取执行当前代码的线程
 *  static void yield():释放当前CPU的执行权
 *  join():在线程a中调用线程b的join()，此时线程a就进入阻塞状态，直到线程b完全执行完以后，线程a才结束阻塞状态
 *  static void sleep(long millitime):让当前线程“睡眠”指定的millitime毫秒。在指定的millitime毫秒时间内，当前线程是阻塞状态。
 *  stop():已过时。当执行此方法时，强制结束当前线程。
 *  boolean isAlive():判断当前线程是否存活

##### 2.3、线程的调度 #####

*  调度策略
    
     *  时间片
     *  抢占式：高优先级的线程抢占CPU
 *  Java的调度方法
    
     *  同优先级线程组成先进先出队列，使用时间片策略
     *  对高优先级，使用优先调度的抢占式策略

##### 2.4、线程的优先级 #####

*  线程的优先等级
    
     *  MAX\_PRIORITY:10
     *  MIN\_PRIORITY:1
     *  NORM\_PRIORITY:5 --> 默认优先级
 *  涉及的方法
    
     *  getPriority():获取线程的优先级
     *  setPriority(int newPriority):设置线程的优先级
 *  线程创建时继承父线程的优先级
 *  低优先级只是获得调度的概率低，并非一定是在高优先级线程之后才被调度

##### 2.5、创建多线程的方式二：实现Runnable接口 #####

*  1、创建一个实现了Runnable接口的类
 *  2、实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
 *  3、创建实现类的对象
 *  4、将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
 *  5、通过Thread类的对象调用start()

//1、创建一个实现了Runnable接口的类
    class MThread implements Runnable {
        //2、实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                if (i % 2 == 0) {
                    System.out.println(i);
                }
            }
        }
    }
    
    public class ThreadTest1 {
        public static void main(String[] args) {
            //3、创建实现类的对象
            MThread mThread = new MThread();
            //4、将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
            Thread t1 = new Thread(mThread);
            //5、通过Thread类的对象调用start():启动线程，调用当前线程的run() --> 调用了Runnable类型的target的run()
            t1.start();
    
            //再启动一个线程
            Thread t2 = new Thread(mThread);
            t2.start();
        }
    }

##### 2.6、比较创建线程的两种方式 #####

*  开发中：优先选择实现Runnable接口的方式
    
     *  1、实现的方式没有类的单继承性的局限性
     *  2、实现的方式更适合来处理多个线程有共享数据的情况
 *  联系：public class Thread implements Runnable
 *  相同点：两种方式都需要重写run()，将线程要执行的逻辑声明在run()中

#### 3、线程的生命周期 ####

#### 4、线程的同步 ####

##### 4.1、线程同步方式一：同步代码块 #####

synchronized(同步监视器) {
        // 需要被同步的代码
    }

*  1、操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码
 *  2、共享数据：多个线程共同操作的变量。
 *  3、同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。
    
     *  要求：多个线程必须要共用同一把锁。
 *  补充：在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器
 *  在继承Thread类创建多线程的方式中，慎用this充当同步监视器，考虑使用当前类充当同步监视器

public class Window1 implements Runnable{
        private int ticket = 100;
        Object obj = new Object();
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                //正确，只要保证多个线程使用同一个对象当做锁即可
                // synchronized (obj) {
                // 此时的this：唯一的Window1的对象
                synchronized (this) {
                    if (ticket > 0) {
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                        ticket--;
                    } else {
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }

public class Window2 extends Thread{
        private static int ticket = 100;
        private static Object obj = new Object();
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                //正确
                // synchronized (obj) {
                // 错误，因为通过继承Thread方式，需要通过不同的对象来创建线程
                // 此时的this代表着不同的对象 
                // synchronized (this) {
                // 正确，Class clazz = Window2.class，Window2.class只会加载一次
                synchronized (Window2.class) {
                    if (ticket > 0) {
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                        ticket--;
                    } else {
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }

*  好处：同步的方式，解决了线程的安全问题。
 *  局限性：操作同步代码时，只能有一个线程参与，其他线程等待。相当于一个单线程的过程，效率低。

##### 4.2、线程同步方式二：同步方法 #####

*  同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式的声明。
 *  非静态的同步方法，同步监视器是：this；静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身

public class Window3 implements Runnable{
        private int ticket = 100;
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                show();
            }
        }
    
        private synchronized void show () {//同步监视器：this
            if (ticket > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                ticket--;
            }
        }
    }

public class Window4 extends Thread {
        private static int ticket = 100;
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                show();
            }
        }
    
        private static synchronized void show () {//同步监视器：Window4.class
            if (ticket > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                ticket--;
            }
        }
    }

##### 4.3、设计模式：单例模式 #####

// 饿汉式
    class Bank {
    	// 1、私有化类的构造器
    	private Bank() {}
    	// 2、内部创建类的对象
    	// 4、要求此对象也必须声明为静态的
    	private static Bank instance = new Bank();
    	// 3、提供公共的静态的方法，返回类的对象
    	public static Bank getInstance() {
    		return instance;
    	}
    }
    
    // 懒汉式方式一：同步方法
    class Order {
    	// 1、私有化类的构造器
    	private Order() {}
    	// 2、声明当前类对象，没有初始化
    	// 4、此对象也必须声明为static的
    	private static Order instance = null;
    	// 3、声明public、static的返回当前类对象的方法
    	public static synchronized Order getInstance() {
    		if (instance == null) {
    			instance = new Order();
    		}
    		return instance;
    	}
    }
    
    // 懒汉式方式二：同步代码块
    class Order {
    	// 1、私有化类的构造器
    	private Order() {}
    	// 2、声明当前类对象，没有初始化
    	// 4、此对象也必须声明为static的
    	private static Order instance = null;
    	// 3、声明public、static的返回当前类对象的方法
    	public static Order getInstance() {
        // 方式一：效率稍差
        // synchronized (Order.class) {
        //     if (instance == null) {
        // 	    instance = new Order();
        //     }
        //     return instance;
        // }
        // 方式二：效率更高
        if (instance == null) {
          synchronized (Order.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Order();
            }
          }
        }
    		return instance;
    	}
    }

##### 4.4、线程的死锁问题 #####

*  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
     *  出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续
 *  解决方法
    
     *  专门的算法、原则
     *  尽量减少同步资源的定义
     *  尽量避免嵌套同步

##### 4.5、线程同步方式三：Lock（锁） #####

class Window implements Runnable {
        private int ticket = 100;
        // 1、实例化ReentrantLock
        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    // 2、调用锁定方法lock()
                    lock.lock();
    
                    if (ticket > 0) {
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
    
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                        ticket--;
                    } else {
                        break;
                    }
                } finally {
                    // 3、调用解锁方法：unlock()
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

*  面试题：synchronized与lock的异同？
    
     *  相同：二者都可以解决线程安全问题
     *  不同：synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器；Lock需要手动的启动同步(Lock())，同时结束同步也需要手动的实现(unlock())
 *  优先使用顺序：
    
     *  Lock --> 同步代码块 --> 同步方法

#### 5、线程的通信 ####

*  涉及到的三个方法：
    
     *  wait()：一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器
     *  notify()：一旦执行此方法，就会唤醒被wait()的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先级高的线程。
     *  notifyAll()：一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程
 *  说明：
    
     *  wait()，notify()，notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中
     *  wait()，notify()，notifyAll()三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器，否则会出现IllegalMonitorStateException异常
     *  wait()，notify()，notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object类中
 *  面试题：sleep() 和 wait() 的异同？
    
     *  相同点：一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入阻塞状态
     *  不同点：
        
         *  1、两个方法声明的位置不同：Thread类中声明sleep()，Object类中声明wait()
         *  2、调用的要求不同：sleep()可以在任何需要的场景下调用。wait()必须使用在同步代码块中
         *  3、关于是否释放同步监视器：如果两个方法都使用在同步代码块或同步方法中，sleep()不会释放锁，wait()会释放锁

#### 6、JDK5.0新增线程创建方式 ####

##### 6.1、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。
     *  FutrueTask是Futrue接口的唯一实现类
     *  FutrueTask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

// 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 ThreadNew {
        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()
            new Thread(futureTask).start();
    
            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 (ExecutionException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

##### 6.2、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。
 *  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
 *  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
    
     *  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.newSingleThreadPool()：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

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);
            // 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()); // 适用于实现Runnable接口的线程
            service.submit(new NumberThread1()); // 适用于实现Callable接口的线
            // 3、关闭连接池
            service.shutdown();
        }
    }

#### 7、附加：关于锁的操作 ####

##### 7.1、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，导致异常结束
 *  当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的wait()方法，当前线程暂停，并释放锁

##### 7.2、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()来控制线程

### 二、Java常用类 ###

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