基本概念：程序、进程、线程
- 程序是为完成特定任务、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。
- 进程是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是一个动态的过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程。——生命周期
- 如：运行中的QQ，运行中的MP3播放器
- 程序是静态的，进程是动态的
- 进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每一个进程分配不同的内存区域
- 线程，进程可进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。
- 若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的
- 线程作为调度和执行的单位，每个进程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc)，线程切换的开销小
- 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间->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
类装载器
- Class Loader类加载器
- Execution Engine执行引擎负责解释命令，提交操作系统执行。
- Native Interface 本地接口
- Runtime Data Area 运行数据区
单核CPU和多核CPU的理解
- 单核CPU，其实就是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。例如：虽然有多车道，但是收费站只有一个工作人员收费，只有收了费才能通过，那么CPU就好比收费人员。如果有某个人不想交钱，那么收费人员可以把他"挂起"（晾着他；等他想通了，准备好了钱，再去收费）。但是因为CPU时间单元特别短，因此感觉不出来。
- 如果多核的话，才能更好的发挥多线程的效率。（现在的服务器都是多核的）
- 一个Java应用程序java.exe，其实至少有三个线程：main()主线程，gc()垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。
并行与并发
- 并行：多个CPU同时执行多个任务。比如：多个人同时做不同的事。
- 并发：一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如：秒杀、多个人做同一件事。
使用多线程的优点
背景：以单核CPU为例，只使用单个线程先后完成多个任务（调用多个方法），肯定比用多个线程来完成用的时间更短，为何仍需多线程呢？
多线程程序的优点：
- 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验。
- 提高计算机系统CPU的利用率
- 改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改
何时需要多线程
- 程序需要同时执行两个或多个任务
- 程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。
- 需要一些后台运行的程序时。
线程的创建和使用
线程的创建和启动
- Java语言的JVM允许程序运行多个线程，它通过java.lang.Thread类来体现。
- Thread类的特性
- 每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的，经常把run()方法的主体称为线程体
- 通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用run()
/**
*多线程的创建 方式一:继承Thread类
*1、创建一个继承于Thread类的子类
*2、重写Thread类的run()方法--> 将此线程所要执行的操作声明在run()方法里
*3、创建Thread子类的对象
*4、Thread子类的对象调用start()方法
*/
class MyThread01 extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (i % 2 == 0) {
System.out.println(getName() + ":" + i);
}
}
}
}
public class ThreadDemo01 {
public static void main(String[] args) {
MyThread01 myThread01 = new MyThread01();
myThread01.setName("线程一");
myThread01.start();
System.out.println(myThread01.isAlive()); //判断线程是否还存活
Thread.currentThread().setName("主线程");
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (i % 2 != 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}
/**
*多线程的创建 方式二:去实现Runnable接口
*1、创建一个实现Runnable接口的类
*2、实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
*3、创建实现类对象
*4、将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
*5、通过Thread类的对象调用start()
*
*
*比较创建线程的两种方式。
*开发中：优先选择：实现Runnable接口的方式
*原因：1、实现的方式没有类的单继承的局限性
* 2、实现的方式更适合来处理多个线程有共享数据的情况。
*
*联系：public class Thread implements Runnable
*相同点：两种方式都需要重写run()，将线程要执行的逻辑声明在run()中。
*/
class MyThread01 implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i%2==0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
}
}
}
}
public class ThreadDemo01 {
public static void main(String[] args) {
MyThread01 myThread01 = new MyThread01();
Thread t1=new Thread(myThread01);
t1.start();
Thread t2 = new Thread(myThread01);
t2.start();
}
}
Thread类的有关方法(1)
- void start(): 启动线程，并执行对象的run()方法
- run(): 线程在被调度时执行的操作
- String getName(): 获得该线程的名称
- void setName(String name): 设置该线程的名称
- static Thread currentThread(): 返回当前线程。在Thread子类中就是this，通常用于主线程和Runnable实现类
测试Thread中的常用方法
- start()：启动当前线程；调用当前线程的run()
- run()：通常需要重写Thread类中的此方法，将创建的线程执行的操作声明在此方法中
- currentThread()：静态方法，返回执行当前代码的线程
- getName()：获取当前线程的名字
- setName()：设置当前线程的名字
- yield()：释放当前cpu的执行权
- join()：在线程a中调用线程b的join()，此时线程a就进入阻塞状态，直到线程b完全执行完以后，线程a才结束阻塞状态。
- stop()：已过时。当执行此方法时，强制结束当前线程。
- sleep(long millitime)：让当前线程"睡眠"制定的millitime毫秒。在指定的millitime毫秒时间内，当前线程是阻塞状态。
- isAlive()：判断当前线程是否存活
线程的调度
-
调度策略
- 时间片
-
抢占式：高优先级的线程抢占CPU
-
Java的调度方法
- 同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务）,使用时间片策略
- 对高优先级，使用优先调度的抢占式策略
线程的优先级
- 线程的优先级等级
- MAX_PRIORITY：10
- MIN_PRIORITY：1
- NORM_PRIORITY：5
- 涉及的方法
- getPriority()：返回线程优先值
- setPriority(int newPriority)：改变线程的优先级
- 说明
- 线程创建时继承父线程的优先级
- 低优先级只是获得调度的概率低，并非一定是在高优先级线程之后才被调用
线程的分类
Java中的线程分为两类：一种是守护线程，一种是用户线程。
- 它们在几乎每个方面都是相同的，唯一的区别是判断JVM何时离开。
- 守护线程是用来服务用户线程的，通过在start()方法前调用thread.etDaemon(true)可以把一个用户线程变成一个守护线程。
- java垃圾回收就是一个典型的守护线程。
- 若JVM中都是守护线程，当前JVM将退出。
- 形象理解：兔死狗烹，鸟尽弓藏
线程的生命周期
线程的同步
线程同步的问题
- 问题的提出
- 多个线程执行的不确定性引起执行结果的不稳定
- 多个线程对账本的共享，会造成操作的不完整性，会破坏数据。
/**
*例子：创建三个窗口卖票，总票数为100张，使用实现Runnable接口的方式
*
*1.问题：卖票过程中，出现重票、错票-->出现了线程的安全问题
*2.问题出现的原因：某个线程操作车票的过程中，尚未操作完成时，其他线程参与进来，也操作车票，导致出现错误
*3.如何解决：当一个线程a在操作ticket的时候，其他线程不能参与进来。直到线程a操作完ticket时，线程才可以开始操作ticket。这种情况* 即使线程a出现阻塞，也不能改变。
*4.在java中，我们一般使用线程同步的制作来解决线程的安全问题
*
*方式一:同步代码块
*
* synchronized(同步监视器){
* //需要被同步的代码
* }
*
*/
class MyThread02 implements Runnable {
int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (this) { //通过同步代码块的方式来解决线程问题 同步监视器是this
if(ticket<=0){
break;
}
ticket--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票，还剩" + ticket + "张票");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
public class WindowTest {
public static void main(String[] args) {
MyThread02 myThread02 = new MyThread02();
Thread t1 = new Thread(myThread02);
t1.setName("窗口一");
Thread t2 = new Thread(myThread02);
t2.setName("窗口二");
Thread t3 = new Thread(myThread02);
t3.setName("窗口三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
/*
* 说明: 1.操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码。 -->不能包含代码多了，也不能包含代码少了
* 2.共享数据:多个线程共同操作的变量。比如：ticket就是共享数据。
* 3.同步监视器，俗称:锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。
* 要求:多个线程必须要共用一把锁。
* 补充：在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器。
*
*
* 方式二:同步方法
* 如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，我们不妨将此方法声明同步的(使用synchronized关键词来修饰)。
*/
class MyThread02 implements Runnable {
int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while (true) {
if (extracted()) break;
}
}
public synchronized boolean extracted() { //同步方法解决线程同步问题 此时的同步监视器是this
if (ticket <= 0) {
return true;
}
ticket--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票，还剩" + ticket + "张票");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return false;
}
}
public class WindowTest2 {
public static void main(String[] args) {
MyThread02 myThread02 = new MyThread02();
Thread t1 = new Thread(myThread02);
t1.setName("窗口一");
Thread t2 = new Thread(myThread02);
t2.setName("窗口二");
Thread t3 = new Thread(myThread02);
t3.setName("窗口三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
/*
* 5.同步的方式，解决了线程的安全问题。---好处
* 操作同步代码时，只能有一个线程参与，其他线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。---局限性
*
*/
线程安全问题的单例模式之懒汉式
class Bank{
private Bank(){}
private static Bank instance=null;
public static Bank getInstance(){
/*//方式一:效率稍差
synchronized(Bank.class){
if(instance==null){
instance=new Bank();
}
return instance;
}
*/
//方式二:提高效率(优先使用)
if(instance==null){ //先行判断，省的浪费时间
synchronized(Bank.class){
if(instance==null){
instance=new Bank();
}
return instance;
}
}
}
}
线程的死锁问题
-
死锁
- 不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁
- 出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续
-
解决方法
- 专门的算法、原则
- 尽量减少同步资源的定义
- 尽量避免嵌套同步
class A {
}
class B {
}
/**
* @Author: XH
* @Description: 模拟死锁
* @DateTime: 2023/9/12 9:35
**/
public class ThreadDemo01 {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
B b = new B();
new Thread() {
@Override
public void run() {
synchronized (a) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程一拿到了a");
synchronized (b) {
System.out.println("线程一拿到了b");
}
}
}
}.start();
new Thread() {
@Override
public void run() {
synchronized (b) {
System.out.println("线程二拿到了b");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (a) {
System.out.println("线程二拿到了a");
}
}
}
}.start();
}
}
//两个线程互相等待对方放弃自己需要的资源，导致出现死锁
Lock(锁)
-
从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。锁提供了对共享支援的独占访问，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，比较常见的是ReentrantLock，可以显示加锁、释放锁。
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* @Author: XH
* @Description: 通过Lock的方式解决线程问题
* @DateTime: 2023/9/12 9:35
**/
class MyThread01 implements Runnable{
int ticket=100;
Lock lock=new ReentrantLock(true); //定义Lock对象
@Override
public void run() {
while(true){
try {
lock.lock(); //手动加锁
if(ticket<=0){
break;
}
ticket--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票,现在还剩" + ticket + "张票");
} finally {
lock.unlock(); //手动解锁
}
}
}
}
public class ThreadDemo02 {
public static void main(String[] args) {
MyThread01 myThread01 = new MyThread01();
Thread t1 = new Thread(myThread01);
Thread t2 = new Thread(myThread01);
Thread t3 = new Thread(myThread01);
t1.setName("线程一");
t2.setName("线程二");
t3.setName("线程三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
- 面试题：synchronized与Lock的异同？
- 相同：两者都可以解决线程安全问题
- 不同：synchronized机制在执行完相应的同步代码块以后，自动的释放同步监视器，Lock需要手动的启动同步(lock())，同时结束同步也需要手动的实现(unlock())
synchronized和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）
线程的通信
线程通信的例子：使用两个线程交替打印1-100。
/**
* @Author: XH
* @Description: 线程的通信
* @DateTime: 2023/9/12 17:26
**/
class MyThread01 implements Runnable {
int i = 0;
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (this) {
notify(); //唤醒线程
if (i >= 100) {
break;
}
i++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
try {
wait(); //线程进入阻塞状态 并释放锁
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
public class ThreadDemo01 {
public static void main(String[] args) {
MyThread01 myThread01 = new MyThread01();
Thread t1 = new Thread(myThread01);
t1.start();
Thread t2 = new Thread(myThread01);
t2.start();
}
}
涉及到的三个方法：
wait()：一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器。
notify()：一旦执行此方法，就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先级高的那个
nofiyAll()：一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程
说明：
- wait()，notify()，notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中。
- wait()，notify()，notifyAll()三个方法的调用者必须都是同步代码块或同步方法中的同步监视器，否则，会出现IllegalMonitorStateException异常
- wait()，notify()，notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object类中。
面试题：sleep()和wait()的异同？
-
相同点：一旦执行方法，都可以使线程进入阻塞状态。
-
不同点：1) 两个方法声明的位置不同：****Thread类中声明sleep()，Object类中声明wait()。
2) 调用的要求不同：****sleep()可以在任何需要的地方调用。wait()必须使用在同步代码块或同步方法中。
3)关于是否释放同步监视器：如果两个方法都使用在同步代码块或同步方法中，sleep()不会释放锁，而wait()会释放锁。
JDK5.0新增线程创建方式
新增方式一：实现Callable接口
- 与使用Runnable相比，Callable功能更强大些
- 相比run()方法，可以有返回值·
- 方法可以抛异常
- 支持泛型的返回值
- 需要借助FutureTask类，比如获取返回结果
- Future接口
- 可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
- FutureTask是Future接口的唯一的实现类
- FutureTask同时实现Runable、Future接口。它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
/**
* @Author: XH
* @Description: 使用Callable创建接口
* @DateTime: 2023/9/12 23:29
**/
//1、创建Callable的实现类
class MyThread implements Callable {
int sum = 0;
//2、重写call方法，把线程需要执行的操作声明在call方法内
@Override
public Object call() throws Exception {
for (int i = 0; i <=100; i++) {
sum += i;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
return sum;
}
}
public class ThreadDemo01 {
public static void main(String[] args) {
//3、创建Callable实现类的对象
MyThread myThread = new MyThread();
//4、将Callable实现类的对象作为参数的来创建FutureTask对象
FutureTask futureTask = new FutureTask(myThread);
//5、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();
try {
//6、获取Callable中call方法的参数
int o = (int) futureTask.get();
System.out.println(o);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
新增方式二：使用线程池
- 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
- keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
- ...
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
/**
* @Author: XH
* @Description: 通过线程池来创建线程
* @DateTime: 2023/9/13 11:11
**/
class MyThread01 implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i <= 100; i++) {
if(i%2==0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}
lass MyThread02 implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i <= 100; i++) {
if(i%2!=0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}
public class ThreadDemo02 {
public static void main(String[] args) {
//创建一个可重用固定数量的线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
ThreadPoolExecutor executor= (ThreadPoolExecutor) service;
//获取service的运行时的类 ThreadPoolExecutor
// System.out.println(service.getClass());
//修改线程池的属性
// executor.setCorePoolSize();
// executor.setKeepAliveTime();
// executor.setMaximumPoolSize();
service.submit(new MyThread01());
service.submit(new MyThread02());
//关闭线程池
service.shutdown();
}
}
线程池相关的API
- JDK5.0起提供了线程池相关API：ExecutorService和Executors
- ExecutorService：真正的线程接口。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 ：执行任务，有返回值，一般用来执行Callablesubmit(Callable task) - 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
- Executors.newCachedThreadPool()：创建一个可根据需要创建新线程的线程池
- Executors.newFixedThreadPool(n)；创建一个可重用固定线程数的线程池
- Executors.newSingleThreadExecutor()：创建一个只有一个线程的线程池
- Executors.newScheduledThreadPool(n)：创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。