Java的第十三篇文章——JAVA多线程（后期再学一遍）-阿里云开发者社区

学习目标

线程概念
Java实现多线程程序一
Thread类的方法
Java实现多线程程序二
线程安全问题
同步synchronized使用
锁对象的选择
死锁案例
生产者与消费者
JDK5特性JUC
单例模式
关键字volatile
线程池
ConcurrentHashMap

1. 线程的基本概念

1.1 进程

任何的软件存储在磁盘中，运行软件的时候，OS（操作系统）使用IO技术，将磁盘中的软件的文件加载到内存，程序才能运行。

进程的概念：应用程序(typerpa、word、IDEA)运行的时候进入到内存，程序在内存中占用的内存空间(进程)。

1.2 线程

线程(Thread)：在内存和CPU之间，建立一条连接通路，CPU可以到内存中取出数据进行计算，这个连接的通路，就是线程

一个内存资源：一个独立的进程，进程中可以开启多个线程 (多条通路) 。

并发：同一个时刻多个线程同时操作了同一个数据。

并行：同一个时刻多个线程同时执行不同的程序。

2. Java实现线程程序

今天之前的所有程序都有一个共性：main启动之后，一条线走到底 (单线程)

2.1 java.lang.Thread类

第一种方法：继承的方式实现多线程。

一切都是对象，线程也是对象，Thread类是线程对象的描述类

实现线程程序的步骤：

定义类继承Thread
子类重写方法run
创建子类对象
调用子类对象的方法start()启动线程

//- 定义类继承Thread
//- 子类重写方法run
public class SubThread extends Thread {
    public void run(){
        for(int x = 0 ; x < 50 ;x++)
            System.out.println("run..."+x);
    }
}

public static void main(String[] args) {
    //创建线程程序
    SubThread subThread = new SubThread();
    //调用子类对象的方法start()启动线程
    //启动线程,JVM调用方法run
    subThread.start();
    for(int x = 0 ; x < 50 ;x++)
      System.out.println("main..."+x);
}

（1）调用子类对象的方法start()启动线程。我们只需要调用start()方法，run()方法不是我们自己调用的。

（2）启动线程，JVM调用方法run。

2.2 线程的内存图

2.3 Thread类的方法

Thread类的方法 getName()返回线程的名字,返回值是String类型

public class ThreadName extends Thread {
    public void run (){
        System.out.println("线程名字:: "+ super.getName());
    }
}

public static void main(String[] args) {
        ThreadName threadName = new ThreadName();
        //threadName.setName("旺财");
        threadName.start();
        ThreadName threadName1 = new ThreadName();
        //threadName1.setName("小强");
        threadName1.start();
    }

Thread类静态方法 : Thread currentThread()

静态调用，作用是返回当前的线程对象
"当前" ，当今皇上——本地主机

//获取当前线程对象,拿到运行main方法的线程对象
Thread thread =  Thread.currentThread();
System.out.println("name::"+thread.getName());

Thread类的方法 join()

解释：执行join()方法的线程，他不结束，其它线程运行不了

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        JoinThread t0 = new JoinThread();
        JoinThread t1 = new JoinThread();
        t0.start();
        t0.join();
        t1.start();
    }

Thread类的方法 static yield()

线程让步，线程把执行权让出

public void run() {
        for(int x = 0 ; x < 50 ;x++){
            Thread.yield();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"x.."+x);
        }
    }

3. Java实现线程程序

3.1 java.lang.Runnable接口

第二种实现多线程的方法：用接口来实现

实现线程程序的步骤 :

定义类实现接口
重写接口的抽象方法run()
创建Thread类对象

Thread类构造方法中,传递Runnable接口的实现类对象

调用Thread对象方法start()启动线程

//- 定义类实现接口
// - 重写接口的抽象方法run()
public class SubRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for(int x = 0 ; x < 50 ;x++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"x.."+x);
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
        //创建接口实现类对象
        Runnable r = new SubRunnable();
        //创建Thread对象,构造方法传递接口实现类
        Thread t0 = new Thread(r);
        t0.start();
        for(int x = 0 ; x < 50 ;x++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"x.."+x);
        }
    }

3.2 实现接口的好处

接口实现好处是设计上的分离效果：线程要执行的任务和线程对象本身是分离的。

继承Thread重写方法run()：Thread是线程对象，run()是线程要执行的任务。

实现Runnable接口：方法run在实现类，和线程无关，创建Thread类传递接口的实现类对象，线程的任务和Thread没有联系,，解开耦合性。

4. 线程安全

出现线程安全的问题需要一个前提：多个线程同时操作同一个资源。

线程执行调用方法run，同一个资源是堆内存的。

4.1 售票例子

火车票的票源是固定的，购买渠道在火车站买，n多个窗口。

public class Ticket implements Runnable {
    //定义票源
    private int tickets = 100;
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (tickets > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (Exception e) {}
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出售第" + tickets + "张");
                tickets--;
            }else{
                break;
            }
        }
    }
}

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //这个属于一个种子，被三个线程共享
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建3个窗口,3个线程
        Thread t0 = new Thread(ticket);
        Thread t1 = new Thread(ticket);
        Thread t2 = new Thread(ticket);
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

我们可以发现发生了线程安全问题：多个线程抢同一张票源。

解决线程的安全问题：当一个线程没有完成全部操作的时候，其它线程不能操作。

4.2 同步代码块

同步代码块可以解决线程安全问题：格式 synchronized关键字。

synchronized(任意对象){
    //线程操作的共享资源
}

任意对象：在同步中这个对象称为对象锁，简称锁，官方的稳定称为对象监视器。

同步代码块，如何保证线程的安全性。

同步代码块的执行原理：关键点就是对象锁

线程执行到同步，判断锁是否存在

如果锁存在，获取到锁，进入到同步中执行
执行完毕，线程出去同步代码块，将锁对象归还

线程执行到同步，判断锁所否存在

如果锁不存在，线程只能在同步代码块这里等待，锁的到来

使用同步：线程要先判断锁，然后获取锁，出去同步要释放锁，增加了许多步骤，因此线程安全运行速度慢，牺牲性能，不能牺牲数据安全。

4.3 同步方法

当一个方法中，所有代码都是线程操作的共享内容，可以在方法的定义上添加同步的关键字 synchronized ，同步的方法，或者称为同步的函数。

同步方法中有对象锁吗？有且是this对象
静态同步方法中有对象锁吗？锁对象是本类.class属性。这个属性表示这个类的class文件的对象。

@Override
    public void run() {
        while (true)
          sale();
    }
private static synchronized void sale(){
    //  synchronized (Ticket.class) {
    if (tickets > 0) {
    try {
        Thread.sleep(20);//线程休眠,暂停执行
        } catch (Exception ex) {
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出售第" + tickets + "张");
    tickets--;
    }
//  }
}

5. 死锁

死锁程序：多个线程同时争夺同一个锁资源，出现程序的假死现象。

面试点：考察开发人员是否充分理解同步代码的执行原理

同步代码块：线程判断锁，获取锁，释放锁，不出代码，锁不释放

死锁代码

/**
 * 实现死锁程序
 */
public class ThreadDeadLock implements Runnable{
    private boolean flag ;
    public ThreadDeadLock(boolean flag){
        this.flag = flag;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            //同步代码块的嵌套
            if (flag){
                //先进入A锁同步
                synchronized (LockA.lockA){
                    System.out.println("线程获取A锁");
                    //在进入另一个同步B锁
                    synchronized (LockB.lockB){
                        System.out.println("线程获取B锁");
                    }
                }
            }else {
                //先进入B锁同步
                synchronized (LockB.lockB){
                    System.out.println("线程获取B锁");
                    //再进入另一个同步锁A锁
                    synchronized (LockA.lockA){
                        System.out.println("线程获取A锁");
                    }
                }
            }
        }
    }
}

public class LockA {
    public static LockA lockA = new LockA();
}

public class LockB {
    public static LockB lockB = new LockB();
}

public static void main(String[] args) {
        ThreadDeadLock threadDeadLock = new ThreadDeadLock(true);
        ThreadDeadLock threadDeadLock2 = new ThreadDeadLock(false);
        new Thread(threadDeadLock).start();
        new Thread(threadDeadLock2).start();
    }

6. JDK5新特性Lock锁

JDK5新的特性：java.util.concurrent.locks包。定义了接口Lock。

Lock接口替代了synchronized，可以更加灵活

Lock接口的方法

void lock() 获取锁
void unlock()释放锁

Lock接口的实现类ReentrantLock

/**
 *  优化为juc包的接口Lock
 */
public class Ticket implements Runnable {
    //定义票源
    private  int tickets = 100;
    //获取Lock接口的实现类对象
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        while (true)
          sale();
    }
    private void sale(){
        //获取锁
        lock.lock();
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(20);//线程休眠,暂停执行
            } catch (Exception ex) {
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出售第" + tickets + "张");
            tickets--;
        }
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

7. 生产者与消费者例题

创建2个线程，一个线程表示生产者，另一个线程表示消费者

/**
 * 定义资源对象
 *   成员 : 产生商品的计数器
 *          标志位
 */
public class Resource {
    int count ;
    boolean flag ;
}

/**
 * 生产者线程
 *   资源对象中的变量++
 */
public class Produce implements Runnable{
    private Resource r ;
    public Produce(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (r) {
                //判断标志位,是否允许生产
                //flag是true,生产完成,等待消费
                if (r.flag )
                    //无限等待
                   try{ r.wait();
                   }catch (Exception ex){}
                r.count++;
                System.out.println("生产第" + r.count + "个");
                //修改标志位,已经生产了,需要消费
                r.flag = true;
                //唤醒消费者线程
                r.notify();
            }
        }
    }
}

/**
 * 消费者线程
 *   资源对象中的变量输出打印
 */
public class Customer implements Runnable{
    private Resource r ;
    public Customer(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (r) {
                //是否要消费,判断标志位 ,允许消费才能执行
                if (!r.flag )
                    //消费完成,不能再次消费,等待生产
                    try{r.wait();}catch (Exception ex){}
                System.out.println("消费第" + r.count);
                    //消费完成后,修改标志位,变成已经消费
                r.flag = false;
                //唤醒生产线程
                r.notify();
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Resource r = new Resource();
    //接口实现类,生产的,消费的
    Produce produce = new Produce(r);
    Customer customer = new Customer(r);
    //创建线程
    new Thread(produce).start();
    new Thread(customer).start();
}

线程通信的方法 wait() notify()

方法的调用必须写在同步中
调用者必须是作为锁的对象
wait()，notify()为什么要定义在Object类

同步中的锁，是任意对象，任何类都继承Object

结果如下：

改为使用同步方法实现该功能

public class Resource {
    int count;
    boolean flag = false;
    public synchronized void getCustomer() {
        while (true) {
            if (!this.flag) {
                try {
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } else {
                System.out.println("消费者消费了第：" + this.count);
                this.flag = false;
            }
            this.notify();
        }
    }
    public synchronized void getProduce() {
        while (true) {
            if (this.flag) {
                try {
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } else {
                this.count++;
                System.out.println("生产者生产了第：" + this.count + "个");
                flag = true;
            }
            this.notify();
        }
    }
}

public class Customer implements Runnable {
    private Resource r;
    public Customer(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        r.getCustomer();
    }
}

public class Produce implements Runnable {
    private Resource r;
    public Produce(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        r.getProduce();
    }
}

7.1 安全问题产生

线程本身就是一个新创建的方法栈内存 (CPU进来读取数据)
线程的notify()，唤醒第一个等待的线程

解决办法：全部唤醒用 notifyAll() 方法

被唤醒线程，已经进行过if判断，一旦醒来继续执行

线程被唤醒后，不能立刻就执行，再次判断标志位，利用循环
while(标志位) 标志位是true，永远也出不去

public class Resource {
    int count;
    boolean flag = false;
    public synchronized void getCustomer(){
        while(!flag)
            try{
                this.wait();
            }catch (Exception ex){
                ex.printStackTrace();
            }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"消费者消费了第：" + this.count);
        this.flag = false;
        this.notifyAll();
    }
    public synchronized void getProduce(){
        while(flag)
            try{
                this.wait();
            }catch (Exception ex){
                ex.printStackTrace();
            }
        this.count++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生产者生产了第：" + this.count + "个");
        this.flag = true;
        this.notifyAll();
    }

public class Produce implements Runnable {
    private Resource r;
    public Produce(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            r.getProduce();
        }
    }
}

public class Customer implements Runnable {
    private Resource r;
    public Customer(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            r.getCustomer();
        }
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Resource resource = new Resource();
        Customer customer = new Customer(resource);
        Produce produce = new Produce(resource);
        new Thread(customer).start();
        new Thread(customer).start();
        new Thread(customer).start();
        new Thread(produce).start();
        new Thread(produce).start();
        new Thread(produce).start();
    }
}

结果如下：

7.2 线程方法sleep和wait的区别

sleep在休眠的过程中，同步锁不会丢失，不释放
wait()等待的时候，发布监视器的所属权，释放锁。唤醒后要重新获取锁，才能执行

7.3 生产者和消费者案例的性能问题

wait()方法和notify()方法，本地方法调用OS的功能，和操作系统交互，JVM找OS，把线程停止。频繁等待与唤醒，导致JVM和OS交互的次数过多。

notifyAll()唤醒全部的线程，也浪费线程资源，为了一个线程，不得以唤醒的了全部的线程。

7.4 Lock接口深入

Lock接口替换了同步synchronized，提供了更加灵活，性能更好的锁定操作

Lock接口中方法：newCondition() 方法的返回值是接口：Condition
用集合的方式去管理线程

7.5 生产者与消费者改进薇Lock接口

Condition接口 (线程的阻塞队列)

进入队列的线程，释放锁
出去队列的线程，再次的获取锁
接口的方法：await() 线程释放锁，进入队列
接口的方法：signal() 线程出去队列，再次获取锁，此方法是唤醒一个线程

线程的阻塞队列，依赖Lock接口创建

/**
 *  改进为高性能的Lock接口和线程的阻塞队列
 */
public class Resource {
   private int count ;
   private boolean flag ;
   private Lock lock = new ReentrantLock();//Lock接口实现类对象
    //Lock接口锁,创建出2个线程的阻塞队列
    private Condition prod = lock.newCondition();//生产者线程阻塞队列
    private Condition cust = lock.newCondition();//消费者线程阻塞队列
   //消费者调用
   public  void getCount() {
       lock.lock();//获取锁
         //flag是false,消费完成,等待生产
         while (!flag)
            //无限等待,消费线程等待,执行到这里的线程,释放锁,进入到消费者的阻塞队列
             try{cust.await();}catch (Exception ex){}
         System.out.println("消费第"+count);
            //修改标志位,为消费完成
         flag = false;
         //唤醒生产线程队列中的一个
         prod.signal();
         lock.unlock();//释放锁
   }
   //生产者调用
   public  void setCount() {
       lock.lock();//获取锁
         //flag是true,生产完成,等待消费
       while (flag)
            //无限等待,释放锁,进入到生产线程队列
            try{prod.await();}catch (Exception ex){}
         count++;
         System.out.println("生产第"+count+"个");
         //修改标志位,为生产完成
         flag = true;
         //唤醒消费者线程阻塞队列中年的一个
         cust.signal();
       lock.unlock();//释放锁
   }
}

7.6 Lock锁的实现原理

使用技术不开源，技术的名称叫做轻量级锁

使用的是CAS锁 (Compare And Swap) 自旋锁

JDK限制：当竞争的线程大于等于10，或者单个线程自旋超过10次的时候

JDK强制CAS锁取消，升级为重量级锁 (OS锁定CPU和内存的通信总线)

8. 单例设计模式

设计模式：不是技术，是以前的人开发人员，为了解决某些问题实现的写代码的经验。

所有的设计模式核心的技术，就是面向对象。

Java的设计模式有23种，分为3个类别，创建型、行为型和功能型三类。

8.1 单例模式

要求：保证一个类的对象在内存中的唯一性

第一种为饿汉式

私有修饰构造方法
自己创建自己的对象
方法get，返回本类对象

/**
 * - 私有修饰构造方法
 * - 自己创建自己的对象
 * - 方法get,返回本类对象
 */
public class Single {
    private Single(){}
  //饿汉式
    private static Single s = new Single(); // 自己创建自己的对象
//    方法get,返回本类对象
    public static Single getInstance(){
        return s;
    }
}

public static void main(String[] args) {
        //静态方法,获取Single类的对象
        Single instance = Single.getInstance();
        System.out.println("instance = " + instance);
 }

第二种为懒汉式

私有修饰构造方法
创建本类的成员变量，不new对象
方法get，返回本类对象

/**
 * - 私有修饰构造方法
 * - 创建本类的成员变量, 不new对象
 * - 方法get,返回本类对象
 */
public class Single {
    private Single(){}
  //懒汉,对象的延迟加载
    private static Single s = null;
    public static Single getInstance(){
        //判断变量s,是null就创建
        if (s == null) {
            s = new Single();
        }
        return s;
    }
}

8.2 懒汉式的安全问题

注：一个线程判断完变量 s=null，还没有执行new对象，被另一个线程抢到CPU资源，同时有2个线程都进行判断变量，对象创建多次。

public static Single getInstance(){
        synchronized (Single.class) {
            //判断变量s,是null就创建
            if (s == null) {
                s = new Single();
            }
        }
        return s;
    }

性能问题：第一个线程获取锁，创建对象，返回对象。第二个线程调用方法的时候，变量s已经有对象了，根本就不需要在进同步，不要在判断空，直接return才是最高效的。双重的if判断，提高效率 Double Check Lock。

private static volatile Single s = null; 
public static Single getInstance(){
        //再次判断变量,提高效率
        if(s == null) {
            synchronized (Single.class) {
                //判断变量s,是null就创建
                if (s == null) {
                    s = new Single();
                }
            }
        }
        return s;
}

8.2 关键字 volatile

成员变量修饰符，不能修饰其它内容。

关键字作用 :

保证被修饰的变量，在线程中的可见性
防止指令重排序

单例的模式，不使用该关键字，可能线程会拿到一个尚未初始化完成的对象(半初始化)

如果我将以下代码中的volatile关键字去掉，程序就不会结束，陷入死循环。因为线程与线程之前的变量是不可见的，一个线程修改了变量，另一个线程是看不到。所以如以下例子，如果没有volatile关键字，main线程即使修改了flag变量，MyRunnable线程也是看不到的修改信息的。

public class MyRunnable implements Runnable {
    private volatile boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        m();
    }
    private void m(){
        System.out.println("开始执行");
        while (flag){
        }
        System.out.println("结束执行");
    }
    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
}

public class MyRunnable implements Runnable {
    private volatile boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        m();
    }
    private void m(){
        System.out.println("开始执行");
        while (flag){
        }
        System.out.println("结束执行");
    }
    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
}

9. 线程池ThreadPool

线程的缓冲池，目的就是提高效率。new Thread().start()，线程是内存中的一个独立的方法栈区，JVM没有能力开辟内存空间，和OS交互，会影响程序的速度。

9.1 Executors 类

静态方法static newFixedThreadPool(int 线程的个数)

方法的返回值ExecutorService接口的实现类，管理池子里面的线程

ExecutorService接口的方法

submit (Runnable r)提交线程执行的任务（此方法会去线程池拿线程，然后调用该线程的start方法）

9.2 Callable 接口

实现多线程的程序：接口特点是有返回值，可以抛出异常 (Runnable没有)

抽象的方法只有一个 call()

启动线程，线程调用重写方法call()

ExecutorService接口的方法

submit (Callable c)提交线程执行的任务
Future submit()方法提交线程任务后，方法有个返回值 Future接口类型
Future接口，获取到线程执行后的返回值结果

public class MyCall implements Callable<String> {
    public String call() throws Exception{
        return "返回字符串";
    }
}

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //创建线程池,线程的个数是2个
       ExecutorService  es =  Executors.newFixedThreadPool(2);
       //线程池管理对象service,调用方法啊submit提交线程的任务
        //提交线程任务,使用Callable接口实现类
        Future<String> future = es.submit(new MyCall());//返回接口类型 Future
        //接口的方法get,获取线程的返回值
        String str = future.get();
        System.out.println("str = " + str);
//        es.submit(my);
//        es.submit(my);
//        es.submit(my);
       // es.shutdown();//销毁线程池
    }

10. ConcurrentHashMap（需进一步了解）

ConcurrentHashMap类本质上Map集合，键值对的集合。使用方式和HashMap没有区别。

凡是对于此Map集合的操作，不去修改里面的元素，不会锁定。

11. 线程的状态图——生命周期

在某一个时刻,线程只能处于其中的一种状态。这种线程的状态反应的是JVM中的线程状态和OS无关。

Java的第十三篇文章——JAVA多线程（后期再学一遍）