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Java多线程深入理解

时间:2021-10-27 10:29     来源/作者:零陵上将军_xdr

多线程

并发与并行

并发:指两个或多个事件在同一个时间段内发生。
并行:指两个或多个事件在同一时刻发生(同时发生)。

在操作系统中,安装了多个程序,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 CPU系统中,每一时刻只能有一道程序执行,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。

而在多个 CPU 系统中,则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上(CPU),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。

线程与进程

进程:是指一个内存中运行的应用程序,每个进程都有一个独立的内存空间,一个应用程序可以同时运行多 个进程;进程也是程序的一次执行过程,是系统运行程序的基本单位;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。
线程:线程是进程中的一个执行单元,负责当前进程中程序的执行,一个进程中至少有一个线程。一个进程 中是可以有多个线程的,这个应用程序也可以称之为多线程程序。 简而言之:一个程序运行后至少有一个进程,一个进程中可以包含多个线程

我们可以再电脑底部任务栏,右键----->打开任务管理器,可以查看当前任务的进程:

Java多线程深入理解

线程调度:

分时调度: 所有线程轮流使用 CPU 的使用权,平均分配每个线程占用 CPU 的时间。
抢占式调度: 优先让优先级高的线程使用 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。

创建线程类

java所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例,Java中通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下:

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,因此把 run()方法称为线程执行体。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
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public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建自定义线程对象
        MyThread mt = new MyThread("新的线程!");
        //开启新线程
        mt.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);
        }
    }
}
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
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0;i<100;i++)
        System.out.println(getName()+":正在执行!"+i);
    }
}

线程

Thread类

构造方法:

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) :分配一个带有指定目标新的线程对象。
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。

常用的方法:

public String getName() :获取当前线程名称。
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 void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。
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 Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。

Runnable接口创建线程

Runnable接口创建线程的步骤:

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()方法来启动线程。

代码案例:

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public class Demo2 {
    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, "张三");
        t.start();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("李四 " + i);
        }
    }
}
class MyRunnable implements Runnable{
    @Override public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
        }
    }
}

通过实现Runnable接口,使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。

在启动的多线程的时候,需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象,然后调用Thread 对象的start()方法来运行多线程代码。

实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此,不管是继承Thread类还是实现Runnable接口来实现多线程,最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的,熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。

Thread和Runnable的区别

如果一个类继承Thread,则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话,则很容易的实现资源共享。

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势:

适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。可以避免java中的单继承的局限性。增加程序的健壮性,实现解耦操作,代码可以被多个线程共享,代码和线程独立。线程池只能放入实现Runable或Callable类线程,不能直接放入继承Thread的类。

匿名内部类方式实现线程的创建

使用线程的内匿名内部类方式,可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。 使用匿名内部类的方式实现Runnable接口,重新Runnable接口中的run方法:

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public class Demo3 {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 200; i++) {
                    System.out.println("张三 " + i);
                }
            }
        }.start();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 200; i++) {
                    System.out.println("李四 " + i);
                }
            }
        }.start();
    }
}

线程安全

线程安全

如果有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的,而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。

案例:游乐园卖票

假设游乐园要卖1000张票,一共有3个卖票窗口(3个窗口一起卖1000张票),采用线程对象来模拟;需要票,Runnable接口子类来模拟。

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public class Demo4 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个窗口对象
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        //同时卖票
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 1000;
    /** 执行卖票操作 */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口 永远开启
        while (true) {
            if (ticket > 0) {
                //有票 可以卖 使用sleep模拟一下出票时间
                try {Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto‐generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //获取当前线程对象的名字
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖:" + (ticket--));
            }
        }
    }
}

但是结果会出先重复的票和0与-1这样的错误票

Java多线程深入理解

这种问题,几个窗口(线程)票数不同步了,这种问题称为线程不安全。

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作,而无写操作,一般来说,这个全局变量是线程安全的;若有多个线程同时执行写操作,一般都需要考虑线程同步, 否则的话就可能影响线程安全。

线程同步

当我们使用多个线程访问同一资源的时候,且多个线程中对资源有写的操作,就容易出现线程安全问题。

要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题,Java中提供了同步机制 (synchronized)来解决。

卖票案例的线程同步简述:

窗口1线程进入操作的时候,窗口2和窗口3线程只能在外等着,窗口1操作结束,窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码 去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候,其他线程不能修改该资源,等待修改完毕同步之后,才能去抢夺CPU 资源,完成对应的操作,保证了数据的同步性,解决了线程不安全的现象。

java完成线程同步的三种方式:

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同步代码块
同步方法
锁机制

同步代码块

同步代码块: **synchronized **关键字可以用于方法中的某个区块中,表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

格式:

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synchronized( 同步锁 ) {
    需要同步操作的代码
}

同步锁:

同步锁: 对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.。

锁对象 可以是任意类型。多个线程对象 要使用同一把锁。

同步代码块解决卖票案例:

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public class Demo4 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个窗口对象
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        //同时卖票
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    /** 执行卖票操作 */
    Object obj=new Object();
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口 永远开启
        while (true) {
            synchronized (obj)
            {
                if (ticket > 0) {
                    //有票 可以卖 使用sleep模拟一下出票时间
                    try {Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto‐generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //获取当前线程对象的名字
                    String name = Thread.currentThread().getName();
                    System.out.println(name + "正在卖:" + (ticket--));
                }
            }
        }
    }
}

同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。

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public synchronized void method(){
     可能会产生线程安全问题的代码
}

使用同步方法解决卖票案例:

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public class Demo5 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个窗口对象
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        //同时卖票
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    /**
     * 执行卖票操作
     */
    Object obj = new Object();
    @Override
    public void run() {
        while (true)
        {
            sellticket();
        }
    }
    public synchronized void sellticket() {
        synchronized (obj) {
            if (ticket > 0) {
                //有票 可以卖 使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto‐generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //获取当前线程对象的名字
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖:" + (ticket--));
            }
        }
    }
}

Lock锁

java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作, 同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

public void lock() : 加同步锁。
public void unlock() : 释放同步锁

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import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Demo6 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个窗口对象
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        //同时卖票
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    Lock lock=new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口 永远开启
        while (true) {
            lock.lock();
            if (ticket > 0) {
                //有票 可以卖 使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto‐generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //获取当前线程对象的名字
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖:" + (ticket--));
            }
            lock.unlock();
        }
    }
}

线程状态

当线程被创建并启动以后,它既不是一启动就进入了执行状态,也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中, 有几种状态呢?在API中 java.lang.Thread.State 这个枚举中给出了六种线程状态:

线程状态 导致状态发生条件
NEW(新建) 线程刚被创建,但是并未启动。还没调用start方法
Runnable(可运行) 线程可以在java虚拟机中运行的状态,可能正在运行自己代码,也可能没有,这取决于操作系统处理器。
Blocked(锁阻塞) 当一个线程试图获取一个对象锁,而该对象锁被其他的线程持有,则该线程进入Blocked状态;当该线程持有锁时,该线程将变成Runnable状态。
Waiting(无限等待) 一个线程在等待另一个线程执行一个(唤醒)动作时,该线程进入Waiting状态。进入这个状态后是不能自动唤醒的,必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。
Timed Waiting(计时等待) 同waiting状态,有几个方法有超时参数,调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep 、 Object.wait。
Teminated(被终止) 因为run方法正常退出而死亡,或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。

等待唤醒机制

线程间通信

概念:多个线程在处理同一个资源,但是处理的动作(线程的任务)却不相同。

比如:线程A用来生成包子的,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,那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。

为什么要处理线程间通信:

多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的,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协调通信,以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

如何保证线程间通信有效利用资源:

多个线程在处理同一个资源,并且任务不同时,需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时, 避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

等待唤醒机制

等待唤醒机制这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争(race),比如去争夺锁,但这并不是故事的全部,线程间也会有协作机制。 就是在一个线程进行了规定操作后,就进入等待状态(wait()), 等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将 其唤醒(notify());在有多个线程进行等待时, 如果需要,可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。

wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

等待唤醒中的方法:

. wait:线程不再活动,不再参与调度,进入 wait set 中,因此不会浪费 CPU 资源,也不会去竞争锁了,这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作,也即是“通知(notify)”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来,重新进入到调度队列(ready queue)中
notify:则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放;例如,餐馆有空位置后,等候就餐最久的顾客最先入座。
notifyAll:则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

生产者与消费者问题

等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。 就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源:
包子铺线程生产包子,吃货线程消费包子。当包子没有时(包子状态为false),吃货线程等待,包子铺线程生产包子 (即包子状态为true),并通知吃货线程(解除吃货的等待状态),因为已经有包子了,那么包子铺线程进入等待状态。 接下来,吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁,那么就执行吃包子动作,包子吃完(包 子状态为false),并通知包子铺线程(解除包子铺的等待状态),吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取 决于锁的获取情况。

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public class Demo7 {
    public static void main(String[] args) {
        baozi bz=new baozi();
        new baozipu(bz).start();
        new chihuo(bz).start();
    }
}
class baozi{
    String pi;
    String xian;
    boolean flag=false;
}
class baozipu extends Thread {
    private baozi bz;
    public baozipu(baozi bz) {
        this.bz=bz;
    }
    @Override
    public void run() {
        int count=0;
        while (true){
            synchronized(bz)
            {
                if(bz.flag)
                {
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                if(count%2==0){
                    //生产 大虾馅包子
                    bz.pi = "薄皮";
                    bz.xian = "大虾陷";
                }else{
                    //生产 冰皮 羊肉大葱陷
                    bz.pi = "冰皮";
                    bz.xian = "羊肉大葱陷";
                }
                count++;
                System.out.println("包子铺正在生产:"+bz.pi+bz.xian+"包子");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                bz.flag=true;
                System.out.println("包子铺已经生产好了:"+bz.pi+bz.xian+"包子,吃货可以开始吃了");
                bz.notify();
            }
        }
    }
}
class chihuo extends Thread{
    private baozi bz;
    public chihuo(baozi bz)
    {
        this.bz=bz;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true)
        {
            synchronized (bz){
                if (!bz.flag)
                {
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("吃货正在吃:"+bz.pi+bz.xian+"的包子");
                //吃货吃完包子
                //修改包子的状态为false没有
                bz.flag = false;
                //吃货唤醒包子铺线程,生产包子
                bz.notify();
                System.out.println("吃货已经把:"+bz.pi+bz.xian+"的包子吃完了,包子铺开始生产包子");
                System.out.println("----------------------------------------------------");
            }
        }
    }
}

线程池

线程池的概念

线程池:其实就是一个容纳多个线程的容器,其中的线程可以反复使用,省去了频繁创建线程对象的操作, 无需反复创建线程而消耗过多资源。

合理利用线程池能够带来三个好处:

  • 降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数,每个工作线程都可以被重复利用,可执行多个任务。
  • 提高响应速度。当任务到达时,任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
  • 提高线程的可管理性。可以根据系统的承受能力,调整线程池中工作线线程的数目,防止因为消耗过多的内 存,而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存,线程开的越多,消耗的内存也就越大,最后死机)。

线程池的使用

Java里面线程池的顶级接口是 java.util.concurrent.Executor ,但是严格意义上讲 Executor 并不是一个线程 池,而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是 java.util.concurrent.ExecutorService

要配置一个线程池是比较复杂的,尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下,很有可能配置的线程池不是较优 的,因此在 java.util.concurrent.Executors 线程工厂类里面提供了一些静态工厂,生成一些常用的线程池。官 方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。

Executors类中有个创建线程池的方法如下:

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) :返回线程池对象。(创建的是有界线 程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量)

获取到了一个线程池ExecutorService 对象,那么怎么使用呢,在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下:

public Future<?> submit(Runnable task) :获取线程池中的某一个线程对象,并执行
Future接口:用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。

使用线程池中线程对象的步骤:

创建线程池对象。创建Runnable接口子类对象。(task)提交Runnable接口子类对象。(take task)关闭线程池(一般不做)。

案例:

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import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class Demo8 {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService es= Executors.newFixedThreadPool(3);
        MyRunable r=new MyRunable();
        es.submit(r);
        es.submit(r);
        es.submit(r);
        es.submit(r);
    }
}
class MyRunable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("我是一个厨师,我去做饭了");
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("厨师做好饭了:"+Thread.currentThread().getName());
 
    }
}

总结

本篇文章就到这里了,希望能给你带来帮助,也希望您能够多多关注服务器之家的更多内容!

原文链接:https://blog.csdn.net/qq_45771939/article/details/119144115

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