08-多线程

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多线程

08—多线程

1. 基本概念：程序、进程、线程

  • 程序(Program)是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即一段静态的代码，静态对象

  • 进程(Progress)是程序的一次执行过程，或者是正在运行的一个程序。是一个动态的过程：

    有他自身的产生、存在和消亡的过程。——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

  • 线程(Thread)，进程可以进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。

    • 若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的
    • 线程作为调度和执行最小的单位，每个线程拥有独立运行栈和程序计数器(pc)，线程切换的开销小
    • 一个进程种的多个线程共享相同的内存单元/内存地址–>他们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就是的线程间的通信更加简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源就可能会带来安全隐患。
    • 线程的分类：守护线程与用户线程
      • 它们唯一的区别就是判断JVM何时离开
      • 守护线程使用来服务用户线程的，通过在start()方法前调用thread.setDaemon(true)可以把一个用户线程变成一个守护线程
      • Java垃圾回收就是典型的守护线程
      • 若JVM中都是守护线程，当前JVM将退出
      • 形象理解：兔死狗烹
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  • 单核CPU和多核CPU
    • 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。例如：虽然有好多车道，但是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。如果某个人不想交钱，那么收费人员可以把它”挂起“（晾着他，等它想通了，准备好了钱，再去收费）。但是因为CPU的时间单元特别短，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）
    • 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。
  • 并行与并发
    • 并行：多个CPU同时执行多个任务。比如多个人同时做不同的事。
    • 并发：一个CPU（采用时间片）同时执行多个任务。比如：秒杀、多个人做同一件事

2. 线程的创建和使用

​ Java语言的JVM允许程序运行多个线程，它通过java.lang.Thread 类来体现。Thread类的特性 ：①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，经常把run()方法的主体称为线程体 ；②通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用run()

Thread类

  • 构造器
    • Thread()：创建新的Thread对象
    • Thread(String threadname)：创建线程并指定线程实例名
    • 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
    • Thread(Runnable target, String name)：创建新的Thread对象
2.1 API中创建线程的两种方式
  • JDK1.5之前创建新执行线程有两种方法：
    • 继承Thread类的方式
    • 实现Runnable接口的方式
2.1.1 方式一：继承Thread类

  1. 定义子类继承Thread类。

  2. 子类中重写Thread类中的run方法。

  3. 创建Thread子类对象，即创建了线程对象。

  4. 调用线程对象start方法：启动线程，调用run方法。

  5. mt子线程创建和启动过程

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  • 注意点
    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”。

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package 创建多线程;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 多线程的创建，方式一：继承于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
 <p>
 例子：使用多线程遍历10以内的偶数
 **/
public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//        3.创建Thread类的子类的对象
        MyThread myThread = new MyThread();
//        4.通过此对象调用start():①启动当前线程 ②调用当前线程的run()      
        myThread.start();
        //问题1：不能通过直接调用run()的方式启动线程
		//myThread.run(); 直接调用run()方法的话，没有启动线程，该方法仍然是在main方法中顺序执行，这样操作只是体现了对象调用方法
        
        //问题2：再启动一个MyThread线程
        //myThread.start();不可以让已经start()的线程去执行。会报IllegalThreadStateException
        MyThread myThread1 = new MyThread();
        myThread1.start();
        
        
        //如下的操作仍然是在main线程中执行的
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if(i % 2 != 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +":"+ "---" + i + "---");
            }if(i == 7){
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);//秒
            }
        }
    }
}
//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 < 10; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +":"+ i);
            }
        }
    }

}

main:—1—
main:—3—
main:—5—
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main:—9—

使用Thread类的匿名子类去创建对象

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package 创建多线程练习;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Thread类的匿名子类对象
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    if(i % 2 == 0){
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +":"+ i);
                    }
                    if(i == 6){
                        try {
                            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.getMessage();
                        }
                    }
                }
            }
        }.start();

        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    if(i % 2 != 0){
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +":"+i);
                    }
                }
            }
        }.start();
    }
}

Thread-0:0
Thread-1:1
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Thread-1:5
Thread-1:7
Thread-1:9
Thread-0:2
Thread-0:4
Thread-0:6
Thread-0:8

2.2.2 方式二：实现Runnable接口
  1. 定义子类，实现Runnable接口。
  2. 子类中重写Runnable接口中的run方法。
  3. 通过Thread类含参构造器创建线程对象。
  4. 将Runnable接口的子类对象作为实际参数传递给Thread类的构造器中。
  5. 调用Thread类的start方法：开启线程，调用Runnable子类接口的run方法。

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package 创建多线程;
/*
创建多线程方式二：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对象
5.通过Thread类的对象调用start()
 */
//1.创建一个实现了Runnabl接口的类
class MyRunnableThread 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 < 10; i++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}
public class ImplementRunnableTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnableThread myRunnableThread = new MyRunnableThread();

        Thread thread = new Thread(myRunnableThread);
        Thread thread1 = new Thread(myRunnableThread);

        thread.setName("线程1");
        thread1.setName("线程2");

        thread.start();
        thread1.start();
    }
}

线程1:0
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线程2:4
线程2:6
线程2:8

2.2.3 继承方式和实现方式的联系与区别

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。
2.2 Thread类的有关方法

void start()：启动线程，并执行对象的run()方法

run()：线程在被调度时执行的操作

String getName()：返回线程的名称

void setName(String name)：设置该线程的名称

static Thread currentThread()：返回当前线程。在Thread子类就是this，通常用于主线程和Runnable实现类

static void yield()：线程让步

  • 暂停当前正在执行的线程，把执行机会留给优先级相同或者更高的线程
  • 若队列中没有同优先级的线程，忽略此方法

join()：当某个程序执行流中调用其他线程的join()方法时，调用线程将被阻塞，直到join()方法加入的join线程执行完为止

  • 低优先级的线程也可以获得执行

static void sleep(long millis)：（指定时间：毫秒)

  • 令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU的控制，使其他线程有机会被执行到，时间到后重新排队
  • 抛出InterruptedException异常

stop()：强制线程生命期结束，不推荐使用

boolean isAlive()：返回boolean，判断线程是否还活着

2.3 线程的调度

  • 调度策略

    • 时间片

      image-20210816102221360

    • 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（先到先服务），使用时间片策略
    • 对高优先级，使用优先调度的抢占式策略
2.3.1 线程优先级
  • 线程的优先等级
    • MAX_PRIORITY：10
    • MIN_PRIORITY：1
    • NORM_PRIORITY：5
  • 涉及的方法
    • getPriority()：返回线程优先值
    • setPriority(int newPriority)：改变线程的优先级
  • 说明
    • 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用
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package 创建多线程练习;

class Mythread extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"-->"+Thread.currentThread().getPriority()+ ":"+i);
            }
            if(i == 6){
                try {
                    sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.getMessage();
                }
            }
        }
    }
}
public class ThreadMethodTest {
    public static void main(String[] args) {
        Mythread mythread = new Mythread();
        mythread.setName("线程1");
        mythread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);

        Mythread mythread1 = new Mythread();
        mythread1.setName("线程2");
        mythread1.setPriority(6);

        mythread.start();
        mythread1.start();

        Thread.currentThread().setName("主线程");
        Thread.currentThread().setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if(i % 2 != 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->"+Thread.currentThread().getPriority()+":" + i);
            }
            if(i == 3){
                Thread.currentThread().yield();
            }
            if(i == 5){
                try {
                    mythread1.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.getMessage();
                }
            }
        }

        if(mythread.isAlive()) System.out.println(mythread.getName() + "  is still alive");
        else System.out.println(mythread.getName() + "  is death");
    }
}

线程1–>10:0
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线程1–>10:4
线程1–>10:6
线程2–>6:0
线程2–>6:2
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线程2–>6:6
主线程–>1:1
主线程–>1:3
主线程–>1:5
线程1–>10:8
线程2–>6:8
主线程–>1:7
主线程–>1:9
线程1 is death

2.4 使用两种方式实现多窗口卖票

方式一：继承Thread

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package 创建多线程练习;

class SellTicketInherit extends Thread{
    private static int ticket = 10;//此处需要声明为static，否则将变成每一个线程都拥有10张票

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if(ticket > 0){
                System.out.println(getName() + ":" + ticket);
                ticket--;
            }
        }
    }
}
public class SellTicketInheritTest {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicketInherit sellTicketInherit = new SellTicketInherit();
        SellTicketInherit sellTicketInherit1 = new SellTicketInherit();
        sellTicketInherit.setName("线程1");
        sellTicketInherit1.setName("线程2");
        sellTicketInherit.start();
        sellTicketInherit1.start();
    }
}

线程2:10
线程2:9
线程2:8
线程2:7
线程2:6
线程2:5
线程2:4
线程2:3
线程2:2
线程2:1
线程1:10

方式二：实现Runnable

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package 创建多线程练习;
class SellTicketImplement implements Runnable{
    private int ticket = 10;
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if(ticket > 0){
                //此处类是以实现接口的方式来实现多线程的，所以不能像继承于Thread的方法那样，直接调用getName()方法
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                ticket--;
            }
        }
    }
}
public class SellTicketImplementTest {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicketImplement sellTicketImplement = new SellTicketImplement();
        Thread thread = new Thread(sellTicketImplement);
        Thread thread1 = new Thread(sellTicketImplement);

        thread.setName("线程1");
        thread.setName("线程2");

        thread.start();
        thread1.start();
    }
}

线程2:10
Thread-1:10
Thread-1:9
Thread-1:8
Thread-1:7
Thread-1:6
Thread-1:5
Thread-1:4
Thread-1:3
Thread-1:2
Thread-1:1

比较两种线程的方式

开发中优先选择：Runnable接口的方式

原因：1.实现的方式没有类的单继承的局限性
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：两种方法都需要重写run()，将线程要执行的逻辑声明在run()中

3. 线程的生命周期

  • JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态

    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类及其子类对象来表示线程，在他的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五种状态：

    • 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
    • 就绪：处于新建状态的线程被start()后，将进入线程队列等待CPU时间片，此时它已具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源
    • 运行：当就绪的线程被调度并获得CPU资源时，便进入运行状态，run()方法定义了线程的操作和功能
    • 阻塞：在某种特殊的情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，让出CPU并临时中止自己的执行，进入阻塞状态
    • 死亡：线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束

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4. 线程的同步

4.1 问题的提出

多个线程执行的不确定性引起执行结果的不稳定 多个线程对账本的共享，会造成操作的不完整性，会破坏数据。

例题

模拟火车站售票程序，开启三个窗口售票。

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class Ticket implements Runnable {
	private int tick = 100;
	public void run() {
	while (true) {
		if (tick > 0) {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + tick--);
		} else
			break;
		}
	}
}

class TicketDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Ticket t = new Ticket();
		Thread t1 = new Thread(t);
		Thread t2 = new Thread(t);
		Thread t3 = new Thread(t);
		t1.setName("t1窗口");
		t2.setName("t2窗口");
		t3.setName("t3窗口");
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}

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  1. 多线程出现了安全问题
  2. 问题的原因： 当多条语句在操作同一个线程共享数据时，一个线程对多条语句只执行了一部分，还没有 执行完，另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。
  3. 解决办法： 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。
4.2 同步方法

Java对于多线程的安全问题提供了专业的解决方式：同步机制

  1. 同步代码块

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    2
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    synchronized (对象){
    // 需要被同步的代码；
    }

    同步代码块实现：继承Thread实现多线程的版本

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    class SynochronizedThread extends Thread{
        private static int ticket = 10;
        private static Object obj = new Object();//保证锁（对象）只有一个
        @Override
        public void run() {
            while (true){
                synchronized(obj){
                    if(ticket > 0){
                        try {
                            Thread.currentThread().sleep(1000);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(getName() + ":" + ticket);
                        ticket--;
                     }
                    else break;
                }
            }
        }
    }
    public class SynchronizedThreadTest {
        public static void main(String[] args) {
            SynochronizedThread synochronizedThread = new SynochronizedThread();
            SynochronizedThread synochronizedThread1 = new SynochronizedThread();
            synochronizedThread.setName("线程1");
            synochronizedThread1.setName("线程2");
            synochronizedThread.start();
            synochronizedThread1.start();
        }
    }

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    同步代码块实现：Runnable接口实现多线程版本

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    class SynchronizedImplements implements Runnable{
        private int ticket = 10;
        @Override
        public void run() {
            while(true){
                synchronized(this){//实现Runnable天然只有一个对象，所以可以直接用this来当锁
                    if(ticket > 0){
                        try {
                            Thread.currentThread().sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                        ticket--;
                    }
                    else break;
                }
            }
        }
    }
    public class SynchronizedImplementsTest {
        public static void main(String[] args) {
            SynchronizedImplements synchronizedImplements = new SynchronizedImplements();
            Thread thread = new Thread(synchronizedImplements);
            Thread thread1 = new Thread(synchronizedImplements);
            thread.setName("窗口1：");
            thread1.setName("窗口2：");
            thread.start();
            thread1.start();
        }
    }

  2. 同步方法

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    public synchronized void show (String name){ 
    	….
    }

    同步方法实现：继承Thread实现多线程的版本

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    package 线程同步;

    class SynchronizedThread extends Thread {
        private static int ticket = 10;

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                sellTicket();
            }
        }

        private static synchronized void sellTicket() {//此处的锁实际上为当前类SynchronizedThread.class
            //private synchronized void sellTicket() 此时的锁为synchronizedThread、synchronizedThread1达不到效果
            if (ticket > 0) {
                try {
                    sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                ticket--;
            }else Thread.currentThread().stop();//解决while的退出问题
        }
    }

    public class SynchronizedThreadMethod {
        public static void main(String[] args) {
            SynchronizedThread synchronizedThread = new SynchronizedThread();
            SynchronizedThread synchronizedThread1 = new SynchronizedThread();
            synchronizedThread.setName("窗口1");
            synchronizedThread1.setName("窗口2");
            synchronizedThread.start();
            synchronizedThread1.start();
        }
    }

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    同步方法实现：Runnable接口实现多线程版本

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    class SynchronizedImplement implements Runnable{
        private int ticket = 10;
        @Override
        public void run() {
            while(true){
                sellTicket();
            }

        }

        private synchronized void sellTicket() {
            if (ticket > 0) {
                try {
                    Thread.currentThread().sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
                ticket--;
            }else Thread.currentThread().stop();
        }
    }
    public class SynchronizedImplementsMethod {
        public static void main(String[] args) {
            SynchronizedImplement synchronizedImplement = new SynchronizedImplement();
            Thread thread = new Thread(synchronizedImplement);
            Thread thread1 = new Thread(synchronizedImplement);
            thread.setName("窗口1");
            thread1.setName("窗口2");
            thread.start();
            thread1.start();
        }
    }

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分析同步原理

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4.3 同步机制中的锁

  • 同步机制

    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。

  • synchronized的锁是什么？

    • 任意对象都可以作为同步锁。所有对象都自动含有单一的锁（监视器）。
    • 同步方法的锁：静态方法（类名.class）、非静态方法（this）
    • 同步代码块：自己指定，很多时候也是指定为this或类名.class
    • 注意
      • 必须确保使用同一个资源的多个线程共用一把锁，这个非常重要，否则就 无法保证共享资源的安全
      • 一个线程类中的所有静态方法共用同一把锁（类名.class），所有非静态方法共用同一把锁（this），同步代码块（指定需谨慎）

  • 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。

  • 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

  • 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

      • 死锁演示

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        package 线程同步;
        //死锁的演示
        class A {
        	public synchronized void foo(B b) { //同步监视器：A类的对象：a
        		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"); // ④
        		b.last();
        	}

        	public synchronized void last() {//同步监视器：A类的对象：a
        		System.out.println("进入了A类的last方法内部");
        	}
        }

        class B {
        	public synchronized void bar(A a) {//同步监视器：b
        		System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
        				+ " 进入了B实例的bar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A实例的last方法"); // ③
        		a.last();
        	}

        	public synchronized void last() {//同步监视器：b
        		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();
        	}
        }

        当前线程名: 副线程 进入了B实例的bar方法
        当前线程名: 主线程 进入了A实例的foo方法
        当前线程名: 副线程 企图调用A实例的last方法
        当前线程名: 主线程 企图调用B实例的last方法

    • 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
4.4 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。

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class A{
	private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
	public void m(){
		lock.lock();
		try{
			//保证线程安全的代码;
		}finally{
			lock.unlock(); 
		}
	}
}

注意：如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块

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import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class Window implements Runnable{
    private int ticket = 10;
    //1.实例化ReentrantLock
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //参数可以填true或false,默认为false，表示非公平的，以抢占来获得资源，而不是以等待时间长短作为判定依据
    @Override
    public void run() {
        while(true){

            try {
                //2.调用锁定方法lock()
                lock.lock();
                if(ticket > 0){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：售票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                }else break;
            } finally {
                //3.调用解锁方法：unlock()
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}
public class ReentrantLockTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window window = new Window();

        Thread thread1 = new Thread(window);
        Thread thread2 = new Thread(window);
        Thread thread3 = new Thread(window);

        thread1.setName("窗口1");
        thread2.setName("窗口2");
        thread3.setName("窗口3");

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

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4.5 利用线程同步解决懒汉单例模式
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package 线程同步;

class LazyBones extends Thread {
    private LazyBones(){//声明为私有的，就无法通过外部进行调用
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 调用空参构造器");
    }
    private static LazyBones lazyBones = null;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + "调用run()");
    }

    public static synchronized LazyBones getInstance() {//以继承Thread方式实现时，需要保证此方法只存在一份，故而声明为static
            if (lazyBones == null) {
                //synchronized (LazyBones.class) {
                lazyBones = new LazyBones();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "调用getInstance()");
               // }
            }
            return lazyBones;
        }
}

public class LazyBonesTest {
    public static void main(String[] args) {
        LazyBones lazyBones = LazyBones.getInstance();
        LazyBones lazyBones1 = LazyBones.getInstance();
        lazyBones.setName("线程1");
        lazyBones1.setName("线程2");// lazyBones与 lazyBones1其实是一个对象，所以最后名字被改成了”线程2“
        lazyBones.start();
       // lazyBones1.start();//同一个对象不能二次start
        if(lazyBones == lazyBones1){
            System.out.println("懒汉式单例模式的线程安全问题得到解决");
        }else{//如果两个对象的引用不一样，则说明new了两个对象
            lazyBones1.start();
            System.out.println("懒汉式单例模式的线程安全问题未得到解决");
        }
    }
}

main 调用空参构造器
main调用getInstance()
懒汉式单例模式的线程安全问题得到解决
线程2调用run()

4.5 synchronized 与 Lock 的对比
  1. Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放
  2. Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁
  3. 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）

5. 线程的通信

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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，就唤醒优先级高的那个。
* notifyAll():一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。
*
* 说明：
* 1.wait()，notify()，notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中。
* 2.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
* 3.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？
* 1.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。
* 2.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或同步方法中
*          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。

经典例题

  • 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，店员就会叫生产者停一下，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
  • 这里可能会出现两个问题：
    • 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
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package 练习;
class Clerk{//店员
    private int productNum = 0;

    public synchronized void produceProduct() {
        if(productNum < 20){
            productNum++;//生产完了数量才输出增加
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "： 开始生产第" + productNum + "个产品");
            notify();
        }else{
            //等待
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public synchronized void consumeProduct() {
        if(productNum > 0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "： 开始消费第" + productNum + "个产品");
            productNum--;//消费完了数量才减少
            notify();
        }else {
            //等待
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
class Produtor extends Thread{//生产者
    private Clerk clerk;
    public Produtor(Clerk clerk){

        this.clerk = clerk;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + "开始生产产品……");
        while (true){
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.produceProduct();
        }

    }
}
class Cust implements Runnable{//消费者
    private Clerk clerk;
    public Cust(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.consumeProduct();
        }

    }
}
public class ProduceTest {
    public static void main(String[] args) {
        Clerk clerk = new Clerk();
        Cust cust = new Cust(clerk);

        Produtor produtor = new Produtor(clerk);
        Thread custThread = new Thread(cust);

        produtor.setName("生产者");
        custThread.setName("消费者");

        produtor.start();
        custThread.start();
    }
}

生产者开始生产产品……
生产者： 开始生产第1个产品
生产者： 开始生产第2个产品
消费者： 开始消费第2个产品
消费者： 开始消费第1个产品
生产者： 开始生产第1个产品
消费者： 开始消费第1个产品
生产者： 开始生产第1个产品
生产者： 开始生产第2个产品

…………………………………………

6. JDK5.0新增线程创建方式

新增实现方式一：实现Callable接口

  • 与使用Runnable相比，Callable功能更强大些
    • 相比使用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Future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
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package 创建多线程;

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

/*
创建线程的方式三：实现Callable接口————JDK5.0新增
如何理解实现Callable接口的方式创建多线程比实现Runnable解耦创建多线程方式强大？
1.call()可以有返回值
2.call()可以抛出异常，被外面的操作捕获，获取异常信息
3.Callable是支持泛型的
 */
//1.创建一个实现了Callable的类
class ImplementsCallable implements Callable{
    //2.重写call()方法，将此线程需要执行的操作总声明在call()中
    @Override
    public Object call() throws Exception{
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            if(i % 2 == 0){
                sum += i;
            }
        }
        return sum;
    }
}
public class ImplementsCallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建Callable接口实现类的对象
        ImplementsCallable implementsCallable = new ImplementsCallable();
        //4.将Callable接口实现类的对象传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
        FutureTask futureTask = new FutureTask(implementsCallable);
        //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()方法
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.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()方法的返回值
            Object obj = futureTask.get();
            System.out.println("总和为： " + obj);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

总和为： 2550

新增实现方式二：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，对性能的影响很大
  • 思路：提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回线程池中。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（重复利用线程池中的线程，不需要每次都创建）
    • 便于线程管理
      • corePoolSize：核心池的大小
      • maxmumPoolSize：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

  • JDK5.0起提供了线程池相关API：ExecutorService和Executors
  • ExecuotrService：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
    • Futuresubmit(Callabletask)：执行任务，没有返回值，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.newCachsThreadPllo()：创建一个可以根据需要创建新线程的线程池
    • Executors.newFixedThreadPool(n)：创建一个可以重用固定 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，它可以安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行
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package 创建多线程;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.FutureTask;

class NumberThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if(i % 2 == 0){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}
class NumberThread1 implements Callable {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (i % 2 != 0) {
                Thread.sleep(100);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
        return null;
    }
}
public class ThreadPoolTest {
    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。需提供实现Runnable接口或者Callable接口实现类的对象
        //实现Runnable接口
        service.execute(new NumberThread());
        service.execute(new FutureTask(new NumberThread1()));
        //实现Callable接口
        service.submit(new NumberThread1());
        //3.关闭连接池
        service.shutdown();
    }
}

pool-1-thread-3:1
pool-1-thread-2:1
pool-1-thread-3:3
pool-1-thread-2:3
pool-1-thread-2:5
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pool-1-thread-2:7
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pool-1-thread-2:9
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pool-1-thread-1:4
pool-1-thread-1:6
pool-1-thread-1:8

小结

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、同步方法中遇到了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或者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

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