多线程详解

多线程详解

1、线程简介

线程、进程、多线程

普通方法和多线程

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Process与Thread

  • 说起进程，就不得不说下程序。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。
  • 而进程则是执行程序的一次执行过程，它是一个动态的概念。 是系统资源分配的单位
  • 通常在一个进程中可以包含若干个线程，当然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调度和执行的的单位。

注意: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， 在同一个时间点，cpu只能执行一一个代码，因为切换的很快，所以就有同时执行的错局。

核心概念

  • 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、线程创建

三种创建方式

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1、继承Thread类

//创建线程方式一：继承Thread类，重写run方法，调用start开启线程
//总结：线程开启不一定立即执行，由CPU调度执行
public class TestThread1 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        //run方法，线程体
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            System.out.println("233我是子线程"+i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //main线程，主线程

        //创建一个线程对象
        TestThread1 testThread1 = new TestThread1();
        //有start方式开启线程
        testThread1.start();

        for (int i = 0; i < 500; i++) {

            System.out.println("hhh我是主线程"+i);
        }
    }
}

2、实现Runnable接口

//创建线程方式二：实现Runnable接口，执行线程需要丢入Runnable接口实现类，调用start
public class TestThread3 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        //run方法线程体
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            System.out.println("233我是子线程" + i);

        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        //创建runnable接口实现类对象
        TestThread3 testThread3 = new TestThread3();
        //通过线程对象开启线程，代理
        new Thread(testThread3).start();

        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            System.out.println("hhh我是主线程" + i);
        }

    }

3、实现Callable接口(了解)

  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 ser = Executors.newFixedThreadPool(1);
  5. 提交执行: Future result1 = ser.submit(t1);
  6. 获取结果: boolean r1 = result1.get()
  7. 关闭服务: ser.shutdownNow();

总结：

继承Thread类：

  • 子类继承Thread类具备多线程能力
  • 启动线程：子类对象.start()
  • 不建议使用：避免OOP单继承局限性

实现Runnable接口：

  • 实现Runnable接口具有多线程能力
  • 启动线程：传入目标对线+Thread对象.start()
  • 推荐使用：避免单继承局限性，灵活方便，方便同一个对象被多个线程使用

3、线程状态

线程的五种状态

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获取线程状态

Thread.getState()

线程可以处于以下状态之一：

  • 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特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。

一个线程可以在给定时间点处于一个状态。 这些状态是不反映任何操作系统线程状态的虚拟机状态。

线程方法

方法 说明
setPriority(int newPriority) 更改线程的优先级
static void sleep(long millis) 在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
void join() 等待该线程终止
static void yield() 暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程
void interrupt() 中断线程，别用这个方式
boolean isAlive() 测试线程是否处于活动状态

线程停止

不推荐使用JDK提供的stop()、destroy()方法。[已废弃]

推荐线程自己停止下来

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。

使用标识符停止线程

public class StopThread implements Runnable {
    //1.线程中定义线程体使用的标识
    private boolean flag = true;

    @Override
    public void run() {
        int i = 0;
        //2.线程体使用该标识
        while (flag) {
            System.out.println("run...Thread" + i++);
        }
    }

    //3.对外提供方法改变标识
    public void stop() {
        this.flag = false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        StopThread stopThread = new StopThread();
        //开启子线程
        new Thread(stopThread).start();

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("主线程" + i);
            if (i == 990) {
                //通过切换标识关闭子线程
                stopThread.stop();
                System.out.println("子线程已经停止！！！");
            }
        }
    }
}

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;

打印当前系统时间

@Test
public void ThreadSleep() {
    Date date = new Date(System.currentTimeMillis());  //获取当前系统时间

    while (true) {
        try {
            System.out.println(new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(date));
            Thread.sleep(1000);  //线程休眠1s
            date = new Date(System.currentTimeMillis());  //更新当前时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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心情

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
  • 可以理解为插队
public class JoinTest implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {

            System.out.println("线程vip来了！！！" + i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        JoinTest joinTest = new JoinTest();
        Thread thread = new Thread(joinTest);

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            if (i == 200) {
                thread.start();  //子线程开启
                thread.join();  //main线程阻塞，子线程插队
            }
            System.out.println("主线程" + i);
        }
    }
}

线程优先级

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.

  • Thread.MIN_ PRIORITY= 1;

  • Thread.MAX_ PRIORITY = 10;

  • Thread.NORM_ PRIORITY= 5;

使用以下方式改变或获取优先级

  • getPriority()
  • setPriorty(int xxx)

优先级的设定建议在start()调度前

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，这都是看CPU的调度

每个线程默认的优先级是5

线程守护（Daemon）

  • 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
  • 比如后台记录操作日志监控内存,垃圾回收等待..
//守护线程测试
//上帝守护你
public class DaomenTest {


    public static void main(String[] args) {

        God god = new God();
        You you = new You();

        Thread thread = new Thread(god);
        thread.setDaemon(true);  //默认是false,表示是用户线程，正常线程都是用户线程
        
        thread.start();  //守护线程启动
        new Thread(you).start();  //你---用户线程启动

    }
}

//上帝---守护线程
class God implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println("上帝守护着你");
        }
    }
}
//你---用户线程
class You implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        //你活了100年
        for (int i = 0; i < 36500; i++) {
            System.out.println("你一生都开心的活着");
        }
        System.out.println("---------- GoodBye Wrold! ----------");
    }
}

4、线程同步​​

并发：多个线程操作同一个资源

处理多线程问题时,多个线程访问同-一个对象,并且某些线程还想修改这个对象.这时候我们就需要线程同步.线程同步其实就是一种等待机制 ,多个需要同时访问，此对象的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，下一个线程再使用

由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间, 在带来方便的同时也带来了访问冲突问题,为了保证数据在方法中被访问时的正确性,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

存在以下问题:

  • 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.
//线程不安全list
public class UnsafeList {
    public static synchronized void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();

        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(() -> {
                    list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }

        //让主线程阻塞一段时间，来等待子线程跑完，主线程和子线程并发执行，可能出现子线程没执行完毕主线程就打印输出的问题
        try {
            Thread.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(list.size());  //总是小于10000
    }
}

同步方法

由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问,所以我们只需要针对方法提出一套机制,这套机制就是synchronized关键字,它包括两种用法:

synchronized方法和synchronized块

public synchronized void method(int args) {}

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

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方法里面需要修改的内容才需要锁，锁的太多，浪费资源

同步块

synchronized (Obj ){}

Obj 称之为同步监视器

  • 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

  • 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这个对象本身,或者是class [反射中讲解]

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

使用同步块包裹上面的代码

public class UnsafeList {
    public static synchronized void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();

        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (list) {
                    list.add(Thread.currentThread().getName());
                }
            }).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(list.size());  //10000
    }
}

synchronized块锁的对象就是需要变化的量，需要增删改查的对象，synchronized方法默认锁的是this

CopyOnWriteArrayList<>  //java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList包下，Java自带的线程安全集合

Lock(锁)

从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制一通过显 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。

class A {
    //定义lock锁  可重用锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void method() {
        lock.lock();  //加锁
        try {
            //保证线程安全的代码;
        } finally {
            lock.unlock();  //释放锁
            //如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块
        }
    }
}

synchronized与Lock的区别

  • 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
  • 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)
  • 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、线程协作

应用场景:生产者和消费者问题

  • 假设仓库中只能存放一件产品,生产者将生产出来的产品放入仓库,消费者将仓库中产品取走消费
  • 如果仓库中没有产品,则生产者将产品放入仓库,否则停止生产并等待,直到仓库中的产品被消费者取走为止
  • 如果仓库中放有产品,则消费者可以将产品取走消费,否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止

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线程通信

这是一个线程同步问题，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
  • 在生产者消费者问题中,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通信问题

方法名 作用
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0bject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llegalMonitorStateException

管程法

信号灯法

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。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
    • keepAlive Time:线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

使用线程池

JDK 5.0起提供了线程池相关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

public class PoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建服务，连接线程池
        //newFixedThreadPool  参数为：线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

        //2.执行
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        //3.关闭连接
        service.shutdown();

    }
}

class MyThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}
posted @ 2020-10-21 21:12  GodTao  阅读(88)  评论(0)    收藏  举报