Java进阶之多线程

1、程序、进程、线程

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（Process）：是执行程序的一次执行过程，是一个动态的概念，是系统资源分配的单位。

线程（Thread）：通常在一个进程中可以包含若干个线程，一个进程中至少有一个线程，不然没有存在的意义。线程是CPU调度和执行的单位。

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。

• 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；
• 对同一份资源操作时，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。

2、线程的创建

• Thread class——->继承Thread类
• Runnable接口——>实现Runnable接口
• Callable接口——>实现Callable接口

方式一：（1）自定义线程类继承Thread类；（2）重写run()方法，编写线程执行体；（3）创建线程对象，调用start()方法启动线程

1 public class StartThread extends Thread{ //1、自定义线程类继承Thread类 2 @Override //2、重写run()方法，编写线程执行体 3 public void run() { 4 for (int i = 0; i < 100; i++) { 5 System.out.println("run"+i); 6 } 7 } 8 9 public static void main(String[] args) { 10 StartThread startThread = new StartThread(); 11 startThread.start(); //3、创建线程对象，调用start()方法启动线程 12 for (int i = 0; i < 500; i++) { 13 System.out.println("main"+i); 14 } 15 } 16 }

线程不一定立即执行，由CPU安排调度

方式二：（1）自定义线程类实现Runnable接口；（2）实现run()方法，编写线程执行体；（3）创建线程对象，调用start()方法启动线程

1 public class MyRunnable implements Runnable{ //1、自定义线程类实现Runnable接口 2 @Override //2、重写run()方法，编写线程执行体 3 public void run() { 4 for (int i = 0; i < 100; i++) { 5 System.out.println("run"+i); 6 } 7 } 8 9 public static void main(String[] args) { 10 MyRunnable myRunnable = new MyRunnable(); 11 //3、创建线程对象，调用start()方法启动线程，代理 12 new Thread(myRunnable).start(); 13 14 for (int i = 0; i < 500; i++) { 15 System.out.println("main"+i); 16 } 17 } 18 }

推荐使用实现Runnable接口，避免单继承局限性。

方式三：（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；（4）创建执行服务：ExecutorService s = Executors.newFixedThreadPool(1);

（5）提交执行：Future result = s.submit(t);（6）获取结果：boolean r = result.get();（7）关闭服务：s.shutdownNow();

1 public class MyCallable implements Callable<Boolean> { //1、实现Callable接口，需要返回值类型 2 @Override //2、重写call方法，需要抛出异常； 3 public Boolean call() throws Exception { 4 for (int i = 0; i < 100; i++) { 5 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i); //获取当前线程名字 6 } 7 return true; 8 } 9 10 public static void main(String[] args) { 11 //3、创建目标对象； 12 MyCallable m1 = new MyCallable(); 13 MyCallable m2 = new MyCallable(); 14 MyCallable m3 = new MyCallable(); 15 //4、创建执行服务： 16 ExecutorService s = Executors.newFixedThreadPool(3); 17 //5、提交执行： 18 Future<Boolean> r1 = s.submit(m1); 19 Future<Boolean> r2 = s.submit(m2); 20 Future<Boolean> r3 = s.submit(m3); 21 //6、获取结果： 22 try { 23 boolean rs1 = r1.get(); 24 boolean rs2 = r2.get(); 25 boolean rs3 = r3.get(); 26 } catch (InterruptedException | ExecutionException e) { 27 throw new RuntimeException(e); 28 } 29 //7关闭服务： 30 s.shutdownNow(); 31 } 32 }

3、Lambda表达式 (JDK8)

• 希腊字母表中排序第十一位的字母
• 避免匿名内部类定义过多
• 其实质属于函数式编程的概念

（params) -> expression[表达式]

(params) -> statement[语句]

(params) -> {statements}

函数式接口：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。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。

1 public class TestLambda { 2 //静态内部类 3 static class Like2 implements ILike{ 4 @Override 5 public void like() { 6 System.out.println("I like lambda2"); 7 } 8 } 9 public static void main(String[] args) { 10 //局部内部类 11 class Like3 implements ILike{ 12 @Override 13 public void like() { 14 System.out.println("I like lambda3"); 15 } 16 } 17 18 ILike like = new Like1(); 19 like.like(); 20 like = new Like2(); 21 like.like(); 22 like = new Like3(); 23 like.like(); 24 //匿名内部类 25 like = new ILike() { 26 @Override 27 public void like() { 28 System.out.println("I like lambda4"); 29 } 30 }; 31 like.like(); 32 //lambda表达式 33 //(1) 34 like = () -> { 35 System.out.println("I like lambda5"); 36 }; 37 like.like(); 38 //（2）花括号简化，只允许有一行代码,多行必须要用代码块 39 like = () -> System.out.println("I like lambda6"); 40 like.like(); 41 //（3）若带参数，可去掉小括号简化，可去掉返回类型简化 42 //like = (int a,int b) -> System.out.println("I like lambda6"); 43 //like = a,b -> System.out.println("I like lambda6"); 44 } 45 46 } 47 interface ILike{ //函数式接口 48 void like(); 49 } 50 //实现类 51 class Like1 implements ILike{ 52 @Override 53 public void like() { 54 System.out.println("I like lambda1"); 55 } 56 }

4、线程状态

5、停止线程

不推荐使用JDK提供的stop()、destroy()方法。

建议使用一个标志位进行终止变量，当flag=false，则终止线程运行。

1 public class TestStop implements Runnable{ 2 3 //设置标志位 4 private boolean flag = true; 5 6 public static void main(String[] args) { 7 TestStop testStop = new TestStop(); 8 new Thread(testStop).start(); //开启线程 9 for (int i = 0; i < 500; i++) { 10 if(i == 200){ //当主线程跑到200时，停止run线程 11 testStop.stop(); 12 System.out.println("stop run"); 13 } 14 System.out.println("main"+i); 15 } 16 } 17 //提供停止线程的方法，转换标志位 18 public void stop(){ 19 this.flag = false; 20 } 21 22 @Override 23 public void run() { 24 int i = 0; 25 while (flag){ 26 System.out.println("run"+ i++); 27 } 28 } 29 }

6、线程休眠 sleep()

• 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

7、线程礼让 yield()

• 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，看cpu

8、线程强制执行 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，就是插队

9、线程状态观测

Thread.State state = thread.getState();

• 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待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

10、线程的优先级

• 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。优先级高的不一定会先执行。优先级的设定建议在start()调度前。

1. Thread.MIN_PRIORITY = 1;
2. Thread.MAX_PRIORITY = 10;
3. Thread.NORM_PRIORITY = 5;

• 使用以下方式来改变或获取优先级

1. getPriority().setPriority(int p);

2. getPriority().getPriority();

   1 public class TestPriority implements Runnable{
   2 @Override
   3 public void run() {
   4 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+“–>”+Thread.currentThread().getPriority());
   5 }
   6
   7 public static void main(String[] args) {
   8 //主线程
   9 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+“–>”+Thread.currentThread().getPriority());
   10 TestPriority testPriority = new TestPriority();
   11 Thread t1 = new Thread(testPriority);
   12 Thread t2 = new Thread(testPriority);
   13 Thread t3 = new Thread(testPriority);
   14 Thread t4 = new Thread(testPriority);
   15
   16 t1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
   17 t1.start();
   18 t2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
   19 t2.start();
   20 t3.setPriority(8);
   21 t3.start();
   22 t4.setPriority(4);
   23 t4.start();
   24 }
   25 }

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，要看cpu的调度。

11、守护线程 setDaemon()

• 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，内存监控，垃圾回收等…

12、线程同步

并发：同一个对象被多个线程同时操作。

线程同步：就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象是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，下一个线程在使用。

形成条件：队列 + 锁

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。但也存在一些问题：

• 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。

13、同步方法

（1）synchronized关键字包括两种用法：synchronized方法和synchronized块。

（2）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。

1 public class SafeBuyTicket{ 2 public static void main(String[] args) { 3 BuyTicket station = new BuyTicket(); 4 new Thread(station ,"lily").start(); 5 new Thread(station ,"Ming").start(); 6 new Thread(station ,"Jenny").start(); 7 8 } 9 } 10 class BuyTicket implements Runnable{ 11 private int ticketNum = 10; 12 boolean flag = true; 13 @Override 14 public void run() { 15 while(flag){ 16 try { 17 buy(); 18 } catch (InterruptedException e) { 19 throw new RuntimeException(e); 20 } 21 } 22 } 23 //同步方法 24 private synchronized void buy() throws InterruptedException { 25 if(ticketNum <= 0){ 26 flag = false; 27 return; 28 } 29 Thread.sleep(100); 30 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get " + ticketNum--); 31 } 32 }

14、同步块

synchronized(obj){}

obj称之为同步监听器：

（1）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

（2）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：

（1）第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码；

（2）第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问；

（3）第一个线程访问完毕，解锁同步监视器；

（4）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 public class SafeList { 2 public static void main(String[] args) { 3 List<String> list = new ArrayList<String>(); 4 for (int i = 0; i < 1000; i++) { 5 new Thread(()->{ 6 //代码块 7 synchronized (list){ 8 list.add(Thread.currentThread().getName()); 9 } 10 }).start(); 11 } 12 try { 13 Thread.sleep(300); 14 } catch (InterruptedException e) { 15 throw new RuntimeException(e); 16 } 17 System.out.println(list.size()); 18 } 19 }

CopyOnWriteArrayList是JUC包下的一个线程安全集合。

15、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的资源，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。

死锁避免方法：

• 产生死锁的四个必要条件：（破其一可避免死锁）

（1）互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用；

（2）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；

（3）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；

（4）循环等条件：若干进程之前形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

16、Lock

• JDK5.0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。

  1 class A {
  2 private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  3 public void m(){
  4 lock.lock();
  5 try {
  6 //保证线程安全的代码
  7 }catch (Exception e){
  8
  9 }finally {
  10 lock.unlock();
  11 }
  12 }
  13 }

17、Lock与synchronized的对比

• Lock是显式锁（手动开启和关闭锁),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；
• 优先使用顺序：Lock > 同步代码块 > 同步方法

18、线程协作

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，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：

• wait()：表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，会释放锁
• wait(long timeout)：指定等待的毫秒数
• notify()：唤醒一个处于等待状态的线程
• notifyAll()：唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度

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IllegalMonitorStateException.

解决方式1：

并发协作模型“生产者/消费者模式”—>管程法

（1）生产者：负责生产数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；

（2）消费者：负责处理数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；

（3）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”。

解决方式2：

并发协作模型“生产者/消费者模式”—>信号灯法（通过标志位来实现）

19、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。解决思路，可以提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池子中，避免频繁创建销毁，实现重复利用。这样能减少创建新线程的时间，提高响应速度；重复利用线程池中线程，降低资源消耗；便于线程管理等。

• corePoolSize：核心池的大小
• maxnumPoolSize：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

JDK5.0起提供了线程池相关的API：ExecutorService和Executors

ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor

• void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
• Future submit(Callable task)：执行任务，有返回值，一般又来执行Callable
• void shutdown()：关闭连接池

Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池。

1 public class TestPool { 2 public static void main(String[] args) { 3 //创建服务，创建线程池 4 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10); 5 //执行 6 service.execute(new MyThread()); 7 service.execute(new MyThread()); 8 service.execute(new MyThread()); 9 service.execute(new MyThread()); 10 //关闭连接 11 service.shutdown(); 12 } 13 14 } 15 16 class MyThread implements Runnable{ 17 18 @Override 19 public void run() { 20 System.out.println(Thread.currentThread().getName()); 21 } 22 }