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多线程的使用场景
>手机app应用的图片加载
>迅雷等下载软件
>Tomcat服务器上的web应用,多个客户端发起请求,Tomcat针对多个请求开辟多个线程处理
stop()和suspend()方法为何不推荐使用
stop():一旦执行,线程就结束了,导致run()有未执行结束的代码。stop()会导致释放同步监视器,导致线程安全问题
suspend():与resume()搭配使用,会造成死锁。
线程同步与阻塞关系
同步一定会阻塞,阻塞不一定会同步
为什么wait()和notify()方法要放在同步块中调用
因为调用者必须时同步监视器
饿汉式自身创建了单例,所以时安全的,懒汉式不安全;内部类
Java线程优先级定义
三个常量【1,10】
用什么关键字修饰同步方法
synchronized
synchronzied加在静态方法和普通方法的区别
同步监视器不同。静态:当前类本身 非静态:this
操作系统相关知识
程序、进程与线程
进程作为操作系统调度和分配资源的最小单位
线程最为CPU调度和执行的最小单位
- 程序(program):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
,静态对象。 - 进程(process):程序的一次执行过程,或是正在内存中运行的应用程序。如:运行中的QQ,运行中的网易音乐播放器。
- 每个进程都有一个独立的内存空间,系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。(生命周期)
- 程序是静态的,进程是动态的
- 进程作为
操作系统调度和分配资源的最小单位
(亦是系统运行程序的基本单位),系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。 - 现代的操作系统,大都是支持多进程的,支持同时运行多个程序。比如:现在我们上课一边使用编辑器,一边使用录屏软件,同时还开着画图板,dos窗口等软件。
- 线程(thread):进程可进一步细化为线程,是程序内部的
一条执行路径
。一个进程中至少有一个线程。
- 一个进程同一时间若
并行
执行多个线程,就是支持多线程的。 - 线程作为
CPU调度和执行的最小单位
。 - 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元,它们从同一个堆中分配对象,可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来
安全的隐患
。 - 下图中,红框的蓝色区域为线程独享,黄色区域为线程共享。
注意:
不同的进程之间是不共享内存的。
进程之间的数据交换和通信的成本很高。
线程调度
- 分时调度
所有线程轮流使用 CPU 的使用权,并且平均分配每个线程占用 CPU 的时间。
- 抢占式调度
让优先级高的线程以较大的概率优先使用 CPU。如果线程的优先级相同,那么会随机选择一个(线程随机性),Java使用的为抢占式调度。
并行与并发
- 并行(parallel):指两个或多个事件在同一时刻发生(同时发生)。指在同一时刻,有多条指令在多个CPU上同时执行。比如:多个人同时做不同的事。
- 并发(concurrency):指两个或多个事件在同一个时间段内发生。即在一段时间内,有多条指令在单个CPU上快速轮换、交替执行,使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。
在操作系统中,启动了多个程序,并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行,这在单核 CPU 系统中,每一时刻只能有一个程序执行,即微观上这些程序是分时的交替运行,只不过是给人的感觉是同时运行,那是因为分时交替运行的时间是非常短的。
而在多核 CPU 系统中,则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个CPU上,实现多任务并行执行,即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序,这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU,便是多核处理器,核越多,并行处理的程序越多,能大大的提高电脑运行的效率。
创建线程
在Java种创建线程一共两种方式,继承Thread类,和实现Runnable接口
继承Thread类
- 定义Thread类的子类,并重写该类的run()方法,该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务
- 创建Thread子类的实例,即创建了线程对象
- 调用线程对象的start()方法来启动该线程
//自定义线程类 public class MyThread extends Thread { //定义指定线程名称的构造方法 public MyThread(String name) { //调用父类的String参数的构造方法,指定线程的名称 super(name); } /** * 重写run方法,完成该线程执行的逻辑 */ @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(getName()+":正在执行!"+i); } } } public class TestMyThread { public static void main(String[] args) { //创建自定义线程对象1 MyThread mt1 = new MyThread("子线程1"); //开启子线程1 mt1.start(); //创建自定义线程对象2 MyThread mt2 = new MyThread("子线程2"); //开启子线程2 mt2.start(); //在主方法中执行for循环 for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("main线程!"+i); } } }
实现Runnable接口
- 定义Runnable接口的实现类,并重写该接口的run()方法,该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
- 创建Runnable实现类的实例,并以此实例作为Thread的target参数来创建Thread对象,该Thread对象才是真正的线程对象。
- 调用线程对象的start()方法,启动线程。调用Runnable接口实现类的run方法。
public class MyRunnable implements Runnable { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 20; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i); } } } public class TestMyRunnable { public static void main(String[] args) { //创建自定义类对象 线程任务对象 MyRunnable mr = new MyRunnable(); //创建线程对象 Thread t = new Thread(mr, "长江"); t.start(); for (int i = 0; i < 20; i++) { System.out.println("黄河 " + i); } } }
实现Callable接口(jdk5.0新增)
与之前的方式对比:
好处:
call()可以有返回值,更灵活
call()可以使用throws的方式处理异常,更灵活
callable使用了泛型参数,可以指明具体的call()的返回值类型,更灵活
缺点:
如果在主线程中需要获取分线程call()的返回值,则此时的主线程是阻塞状态
/* * 创建多线程的方式三:实现Callable (jdk5.0新增的) */ //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 CallableTest { 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(); // 接收返回值 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 (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } } }
使用线程池(jdk5.0新增)
好处
提高了程序执行的效率(因为线程已经提前创建好了)
提高了资源的复用率(因为执行完的线程并未销毁,而是可以继续执行其他的任务)
可以设置相关的参数,对线程池中的线程的使用进行管理
class NumberThread implements Runnable{ @Override public void run() { for(int i = 0;i <= 100;i++){ if(i % 2 == 0){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i); } } } } class NumberThread1 implements Runnable{ @Override public void run() { for(int i = 0;i <= 100;i++){ if(i % 2 != 0){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i); } } } } class NumberThread2 implements Callable { @Override public Object call() throws Exception { int evenSum = 0;//记录偶数的和 for(int i = 0;i <= 100;i++){ if(i % 2 == 0){ evenSum += i; } } return evenSum; } } 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); ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service; // //设置线程池的属性 // System.out.println(service.getClass());//ThreadPoolExecutor service1.setMaximumPoolSize(50); //设置线程池中线程数的上限 //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());//适合适用于Runnable service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable try { Future future = service.submit(new NumberThread2());//适合使用于Callable System.out.println("总和为:" + future.get()); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } //3.关闭连接池 service.shutdown(); } }
使用匿名内部类对象来实现线程的创建和启动
//one new Thread("新的线程!"){ @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(getName()+":正在执行!"+i); } } }.start(); //two new Thread(new Runnable(){ @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":" + i); } } }).start();
Thread类的常用结构
线程中的常用方法:
start():①启动线程,②调用线程的run()
run():将线程要执行的操作,声明在run()中
currentThread():获取当前执行代码的对应的线程
getName():获取线程名
setName():设置线程名
sleep(long millis):静态方法,调用时,可以使得当前线程睡眠指定的毫秒数
yield():静态方法,一旦执行此方法,就释放CPU的执行权
join():在线程a中通过线程b调用join(),意味着线程a进入阻塞状态,直到线程b执行结束,线程a才结束阻塞,继续执行
isAlive():判断当前线程是否存活
构造器
- public Thread() :分配一个新的线程对象。
- public Thread(String name) :分配一个指定名字的新的线程对象。
- public 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
- public Thread(Runnable target,String name) :分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。
常用方法系列1
- public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。
- public void start() :导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。
- public String getName() :获取当前线程名称。
- public void setName(String name):设置该线程名称。
- public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。在Thread子类中就是this,通常用于主线程和Runnable实现类
- public static void sleep(long millis) :使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停(暂时停止执行)。
- public static void yield():yield只是让当前线程暂停一下,让系统的线程调度器重新调度一次,希望优先级与当前线程相同或更高的其他线程能够获得执行机会,但是这个不能保证,完全有可能的情况是,当某个线程调用了yield方法暂停之后,线程调度器又将其调度出来重新执行。
常用方法系列2
- public final boolean isAlive():测试线程是否处于活动状态。如果线程已经启动且尚未终止,则为活动状态。
- void join() :等待该线程终止。
void join(long millis) :等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。如果millis时间到,将不再等待。
void join(long millis, int nanos) :等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒。 - public final void stop():
已过时
,不建议使用。强行结束一个线程的执行,直接进入死亡状态。run()即刻停止,可能会导致一些清理性的工作得不到完成,如文件,数据库等的关闭。同时,会立即释放该线程所持有的所有的锁,导致数据得不到同步的处理,出现数据不一致的问题。 - void suspend() / void resume() : 这两个操作就好比播放器的暂停和恢复。二者必须成对出现,否则非常容易发生死锁。suspend()调用会导致线程暂停,但不会释放任何锁资源,导致其它线程都无法访问被它占用的锁,直到调用resume()。
已过时
,不建议使用。
常用方法系列3
每个线程都有一定的优先级,同优先级线程组成先进先出队列(先到先服务),使用分时调度策略。优先级高的线程采用抢占式策略,获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。
- Thread类的三个优先级常量:
- MAX_PRIORITY(10):最高优先级
- MIN _PRIORITY (1):最低优先级
- NORM_PRIORITY (5):普通优先级,默认情况下main线程具有普通优先级。
- public final int getPriority() :返回线程优先级
- public final void setPriority(int newPriority) :改变线程的优先级,范围在[1,10]之间。
线程的生命周期
JDK1.5之前:5种状态
新建(New)、就绪(Runnable)、运行(Running)、阻塞(Blocked)、死亡(Dead)
JDK1.5及之后:6种状态
public enum State { NEW,//新建 RUNNABLE,//可运行 BLOCKED,//锁阻塞 WAITING,//无限等待 TIMED_WAITING,//计时等待 TERMINATED;//死亡 }
线程同步 — 解决线程安全问题
方式1 : 同步代码块
synchronized(同步监视器){ //需要同步的代码 }
说明:
多个线程必须共用同一个同步监视器
在实现Runnable接口中,同步监视器可以考虑使用:this
在继承Thread类的方式中,同步监视器慎用this,可以考虑使用当前类.class
方式2 : 同步方法
非静态的同步方法,默认同步监视器是this
静态的同步方法,默认同步监视器是当前类本身
同步代码块和同步方法,需要关注的两个事情:①共享数据②操作共享数据的代码
方式3 :实现Lock接口(jdk5.0新增)
- 创建Lock的实例,必须确保多个线程共享同一个Lock实例
- 调动lock(),实现需共享的代码的锁定
- 调用unlock(),释放共享代码的锁定
如果同步代码有异常,要将unlock()写入finally语句块。
class A{ //1. 创建Lock的实例,必须确保多个线程共享同一个Lock实例 private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock(); public void m(){ //2. 调动lock(),实现需共享的代码的锁定 lock.lock(); try{ //保证线程安全的代码; } finally{ //3. 调用unlock(),释放共享代码的锁定 lock.unlock(); } } }
死锁产生原因:
- 互斥条件
- 占用且等待
- 不可抢夺(或不可抢占)
- 循环等待
以上4个条件,同时出现就会触发死锁。
解决死锁:
死锁一旦出现,基本很难人为干预,只能尽量规避。可以考虑打破上面的诱发条件。
针对条件1:互斥条件基本上无法被破坏。因为线程需要通过互斥解决安全问题。
针对条件2:可以考虑一次性申请所有所需的资源,这样就不存在等待的问题。
针对条件3:占用部分资源的线程在进一步申请其他资源时,如果申请不到,就主动释放掉已经占用的资源。
针对条件4:可以将资源改为线性顺序。申请资源时,先申请序号较小的,这样避免循环等待问题。
懒汉式的线程安全写法:
//实现1: package com.atguigu.single.lazy; public class LazyOne { private static LazyOne instance; private LazyOne(){} //方式1: public static synchronized LazyOne getInstance1(){ if(instance == null){ instance = new LazyOne(); } return instance; } //方式2: public static LazyOne getInstance2(){ synchronized(LazyOne.class) { if (instance == null) { instance = new LazyOne(); } return instance; } } //方式3: public static LazyOne getInstance3(){ if(instance == null){ synchronized (LazyOne.class) { try { Thread.sleep(10);//加这个代码,暴露问题 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } if(instance == null){ instance = new LazyOne(); } } } return instance; } /* 注意:上述方式3中,有指令重排问题 mem = allocate(); 为单例对象分配内存空间 instance = mem; instance引用现在非空,但还未初始化 ctorSingleton(instance); 为单例对象通过instance调用构造器 从JDK2开始,分配空间、初始化、调用构造器会在线程的工作存储区一次性完成,然后复制到主存储区。但是需要 volatile关键字,避免指令重排。 */ } //实现2:内部类 package com.atguigu.single.lazy; public class LazySingle { private LazySingle(){} public static LazySingle getInstance(){ return Inner.INSTANCE; } private static class Inner{ static final LazySingle INSTANCE = new LazySingle(); } }
synchronized与Lock的对比
- 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、遇到异常等自动解锁
- 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),更体现面向对象。
- (了解)Lock锁可以对读不加锁,对写加锁,synchronized不可以
- (了解)Lock锁可以有多种获取锁的方式,可以从sleep的线程中抢到锁,synchronized不可以
说明:开发建议中处理线程安全问题优先使用顺序为:
• 开发中,Lock ----> 同步代码块 ----> 同步方法
线程通信
为什么要处理线程间通信:
当我们需要多个线程
来共同完成一件任务,并且我们希望他们有规律的执行
,那么多线程之间需要一些通信机制,可以协调它们的工作,以此实现多线程共同操作一份数据。
比如:线程A用来生产包子的,线程B用来吃包子的,包子可以理解为同一资源,线程A与线程B处理的动作,一个是生产,一个是消费,此时B线程必须等到A线程完成后才能执行,那么线程A与线程B之间就需要线程通信,即—— 等待唤醒机制
线程唤醒三个方法
wait():线程一旦执行此方法,就进入等待状态。同时,会释放对同步监视器的调用。
notify() : 一旦执行此方法,就会唤醒被wait()的线程中优先级最高的那一个线程(如果被wait()的多个线程的优先级相同,则随机唤醒一个)被唤醒的线程从当初被wait的位置继续执行。
notifyAll() : 一旦执行此方法,就会唤醒所有被wait的线程。
此三个方法的使用,必须是在同步代码块或同步方法中。
此三个方法的调用者,必须是同步监视器。否则,会报IllegalMonitorStateExcpetion异常
此三个方法声明在object类中
//例题:使用两个线程打印 1-100。线程1, 线程2 交替打印 class Communication implements Runnable { int i = 1; public void run() { while (true) { synchronized (this) { notify(); if (i <= 100) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++); } else break; try { wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } }
在Java中的消息同步机制中,notify在前、wait在后是因为wait()和notify()是用于实现线程间通信的方法,它们通常和synchronized一起使用来实现同步。具体原因如下:
- wait() 方法是用于使当前线程(也就是调用该方法的线程)等待,放弃锁并进入等待状态,直到其他线程调用notify()或notifyAll()唤醒该线程。
- notify() 方法则是用于唤醒在对象上调用wait()方法进入等待状态的线程,并使其进入就绪状态,以便争夺锁。
- 由于 wait() 和 notify() 方法是作用于同一个对象锁上的,因此在调用这两个方法时,必须要拥有这个对象的锁,这就要求在调用 wait() 和 notify() 方法时,要先获得对象的锁,在释放对象锁。
因此,在通常的线程同步代码中,我们会先获取对象的锁(通常是通过synchronized关键字),然后调用wait()方法,进入等待状态,直到其他线程调用notify()方法唤醒线程。这就是为什么在 Java 中,notify在前,wait在后。
wait()和sleep()的区别
相同点:一旦执行,当前线程都会进入阻塞状态
不同点:
声明的位置:wait():声明在Object类中
sleep():声明在Thread类中
使用场景不同:wait():只能使用在同步代码块或同步方法中
sleep():可以在任何需要使用的场景
使用在同步代码块或同步方法中:wait():一旦执行,会释放同步监视器
sleep():一旦执行,不会释放同步监视器
结束阻塞的方式:wait():到达指定时间自动结束阻塞,或通过被notify唤醒,结束阻塞
sleep():到达指定时间自动结束阻塞
生产者消费者问题
package prodconsumer; /** * ClassName: ConsumerProducerTest * Package: prodconsumer * Description: * 问题描述: * 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;如果店中没有产品了,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。 *问题解析: * 1.是否是多线程问题? 是,生产者,消费者 * 2.是否有共享数据? 有!共享数据是产品 * 3.是否有线程安全问题? 有!因为有共享数据 * 4.是否需要处理线程安全问题? 是!如何处理,使用同步机制 * 5.是否存在线程间的通信?存在。 * @Author 南城余 * @Create 2023/11/9 16:46 * @Version 1.0 */ public class ConsumerProducerTest { public static void main(String[] args) { Clerk clerk = new Clerk(); Productor p1 = new Productor(clerk); Customer c1 = new Customer(clerk); Customer c2 = new Customer(clerk); p1.setName("生产者p1"); c1.setName("消费者c1"); c2.setName("消费者c2"); p1.start(); c1.start(); c2.start(); } } //资源类 class Clerk{ private int productNum = 0; private static final int MAX_PRODUCT = 20; private static final int MIX_PRODUCT = 1; //增加产品 public synchronized void addProduct(){ if(productNum < MAX_PRODUCT){ productNum++; System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生产了第"+productNum+"个产品"); this.notify(); }else { try { this.wait(); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } } } public synchronized void minusProduct(){ if (productNum >= MIX_PRODUCT){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"消费了第" + productNum + "个产品"); productNum--; this.notify(); } else { try { this.wait(); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } } } } //生产者 class Productor extends Thread{ private Clerk clerk; public Productor(Clerk clerk){ this.clerk = clerk; } /*是的,这段代码中的`private Clerk clerk;`是一个属性。它是`Producer`类中的一个私有属性, 用来存储引用类型变量`Clerk`的实例。在`Producer`类的构造方法中,我们通过`this.clerk = clerk;` 将传入的`Clerk`对象赋值给了类中的`clerk`属性。这样做的目的是让`Producer`类能够访问和操作`Clerk`对象的属性和方法。 */ @Override public void run() { System.out.println("========生产者开始生产商品========="); /*这段代码中的 while(true) 是为了创建一个无限循环,也就是一个始终为真的条件。它会一直循环执行里面的代码,直到程序被显式地中断或者退出。 在这种特定的情况下,这个无限循环被用来模拟一个持续的生产过程。生产者线程会一直执行商品生产的任务,不停地往货架上增加商品,直到某个条件触发停止。 但是,要特别注意的是,使用while(true)需要谨慎,因为它可能导致程序陷入死循环,从而影响整个程序的运行。在实际的生产环境中,我们通常会结合特定的条件来控制循环的终止,如使用 break 语句或者设定一个结束条件。*/ while(true){ try { Thread.sleep(40); } catch (InterruptedException e) { // throw new RuntimeException(e); e.printStackTrace(); } clerk.addProduct(); } } } //消费者 class Customer extends Thread{ private Clerk clerk; public Customer(Clerk clerk){ this.clerk = clerk; } public void run() { System.out.println("========消费开者始消费商品========="); while(true){ try { Thread.sleep(80); } catch (InterruptedException e) { // throw new RuntimeException(e); e.printStackTrace(); } clerk.minusProduct(); } } }
结语
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