JavaSE：多线程学习

01 初识进程

1.1 Process & Thread

1、首先简要介绍程序。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，只是一个静态的概念。

2、进程则是执行程序的一次执行过程，是一个动态的概念。是系统资源分配的单位。

3、通常在一个进程中可以包含若干线程。线程是CPU调度和执行的单位。

PS：很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，即在只有一个CPU的情况下，在同一个时间点，CPU只能执行一条代码。由于切换速度很快，所以会出现同时运行的错觉。

4、线程：

• 线程就是独立的执行路径；
• 在程序运行时，哪怕没有手动创建线程，后台也会有多个线程，如主线程，gc线程（垃圾回收）；
• 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（CPU）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干预的；
• 对同一份资源进行操作时，会出现资源争夺，需要加入并发控制。
• 线程会带来额外的花销，如CPU调度时间，并发控制消耗。
• 每个内存在自己的工作内存交互，内存控制不当会出现数据不一致。

02 创建线程

2.1 多线程有三种创建方式

1、Thread class（通过继承Thread类）

2、Runnable接口（实现Runnable接口）

3、Callable接口（实现Callable接口）

2.2 Thread类

1、自定义线程类继承Thread类

2、重写run()方法，编写线程执行体

3、在别的类中创建该线程单位，调用start()方法启动多线程。

2.1-2.2小结

继承Thread类

• 子类继承Thread类具备多线程能力

• 启动线程：thread类.start（）

• 但不建议使用，避免OOP单继承的特性

实现Runnable接口

• 实现接口Runnable具备多线程能力
• 启动线程：传入目标对象+thread类.start（）
• 推荐使用：避免单继承的局限性，具有很强的灵活性，方便同一个对象被多个线程使用

2.3 Callable接口

1、实现Callable，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(线程数量)

5、提交执行

Future<Boolean> 线程名 = ser.submit(对象名);

6、获取返回值

返回值类型 返回值名称 = 线程名.get();

7、服务关闭

ser.shutdown();

2.4 静态代理

1、真实对象和代理对象要实现同一接口

2、代理对象要代理真实角色

好处：

代理对象可以做很多真实角色做不了的事情

真实对象可以专注于自己的事

2.5 Lambda表达式

1、为什么要使用Lambda表达式

• 避免匿名内部类定义过多
• 可以使得代码更加简洁
• 去掉大部分没有意义的代码，只留下最核心的内部逻辑

2、Lambda表达式的核心是采取函数式编程思想。因此，理解Function Interface（函数式接口）是学习Lambda表达式的关键。

3、函数式接口的定义：

• 任何一个接口，如果它只包含一个抽象方法，那它就是一个函数式接口。

public interface Runnable{
    public abstract void run();
}

• 对于函数式接口，可以采取Lambda表达式的方法创建相关对象。

Lambda表达式使用注意：

• 只有无参Lambda表达式可以写成如下模式：

new Thread(()->{语句});

• Lambda表达式只能在有一行代码的情况下才能简化成一行，如果有多行需要用代码块包裹

对象名 = 参数->{语句1;语句;}

• 使用lambda表达式一定要注意是针对函数式接口，即接口中只有一个抽象方法
• 如果lambda表达式中有多个参数，需要注意格式的统一，即如果有类型就必须都有类型，如果没有就全都去掉

03 线程状态

3.1 线程状态简介

!

3.1.1 线程停止

1、建议线程正常停止，限制次数，不要使用死循环
2、建议使用标志位，即外部调整标志位停止线程运行
3、不要使用stop或destroy等过时或者JDK不推荐的方法

3.1.2 线程休眠

• sleep(时间)是指当前线程的阻塞秒数；

• sleep存在异常InterruptedException；

• sleep时间到达后线程进入就绪状态

• sleep可以模拟网络延时和倒计时等（巧妙运用sleep可以发现程序中并发多线程可能存在的问题）

• 每一个对象都有一个锁，延时不会释放锁

3.1.3 线程礼让

• 线程礼让是指让正在运行的线程暂停，但不阻塞

• 保存线程运行断点，回到就绪状态

• 让CPU重新调度，不一定能礼让成功。

3.1.4 线程合并

• Join方法合并线程，待此线程执行结束后，再执行其他线程，会导致其他线程阻塞
• 可以想象成插队

3.2 线程状态

3.2.1 线程状态观测

• 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。

3.2.2 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哪个线程优先执行

• 线程优先级用数字来表示，范围从1-10

  • Thread.MIN_PRIORITY = 1;
    

  • Thread.MAX_PRIORITY = 10;
    

  • Thread.NORM_PRIORITY = 5;
    

• 使用以下方法来改变或者获取优先级

  • getPriority()   setPriority(inx XXX)
    
    

• 备注：1、优先级的设定建议在start()之前

​ 2、优先级低只是意味着获得调度的概率低，并不是优先级低一定就会被后调用。归根结底还是要看CPU的管理。

3.2.3 守护线程和用户线程

• 线程分为用户线程和守护线程
• JVM虚拟机必须确保用户线程执行完毕
• 但是虚拟机不必等待守护线程执行结束
• 如：后台监控内存，后台记录操作日志，垃圾回收（gc线程）等

3.3 线程同步

3.3.1 线程同步简介

1、并发：同一个对象被多个线程同时操作

2、处理多线程时，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，这时候就需要线程同步。线程同步实际上是一种等待机制，多个需要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，再调用下一个线程。

3、队列和锁：

​ 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，也带来了访问冲突的问题，为了保证数据在方法中被访问的正确性，在访问时加入锁机制synchronized。当一个线程获得对象的排它锁时，就会独占相关资源，其他线程必须等待该线程运行完毕释放锁。但由此会带来一些问题：

• 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，从而引起性能降低。
• 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，就会引起优先级倒置，引发性能问题

3.3.2 三大不安全案例

3.3.2.1 系统购票

（详见代码）

3.3.2.2 银行取钱

（详见代码）

3.3.2.3 线程安全性

（详见代码）

3.3.3 同步方法和同步块

• 由前面可知，Java可以利用private关键字来保证数据对象只能被方法，因此仿照这个可以针对多线程并发提出一套机制，这套机制就是synchronized关键字。它包括两种用法：synchronized方法和synchronized块。

3.3.3.1 同步方法

• 同步方法

  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。

  • 需要注意：若将一个大的方法申明为synchronized将会严重影响程序效率！

  • 此外，synchronized方法针对的是方法中的this类属性。

• 方法里面需要修改的内容才需要锁；锁的数量太多会影响系统运行效率。

3.3.3.2 同步块

• 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，就是这个对象本身，或者是class。

• 同步监视器的执行过程：

  • 第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码。

  • 第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问。

  • 第一个线程访问完毕，解锁同步监视器。

  • 第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问。

3.3.4 初识JUC

（详见代码）

3.4 死锁和Lock锁

• 死锁

• Lock锁

  • 从JDK5.0开始，Java提供了更加强大的线程同步机制——通过显示定义同步锁对象来实现同步。

  • 同步锁使用Lock对象充当java.until.concurrent.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当先获得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，可以显示加锁、释放锁。

  • class A{
        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        public void m(){
              lock.lock();
            try{
                  //保证线程安全的代码；
            }finally{
                 lock.unlock();
                //如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块
            }
        }
    }
    

• synchronized与Lock的对比

  • Lock是显示锁（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（代码块或是方法）

  • Lock只有代码块锁，synchronized有代码块和方法锁

  • 使用Lock锁，JVM将花费更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）

04 线程协作

4.1 线程通信问题

• 应用场景：生产者和消费者问题

  • 假设仓库中存有一定量的物品，生产者将生产出的产品放入仓库，消费者消费仓库中的产品；

  • 如果仓库中没有物品，生产者将生产出的产品放入仓库，消费者停止消费等待仓库中有物品；

  • 如果仓库中物品已满，生产者停止生产并等待，消费者消费仓库中的产品。

• 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互为依赖，互为条件。

  • 对于生产者，没有生产产品前，要通知消费者等待，而生产了产品之后，又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信息传递（通信）

• Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

  方法名	作用
  wait()	表示线程会一直等待，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，优先级别高的优先被调用

  • 注意：这些均是Object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IllegalMonitorStateException

4.2 解决办法一：管程法

• 并发协作模型”生产者/消费者模式“--->管程法

  • 生产者：负责生产数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；

  • 消费者：负责处理数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；

  • 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”；

• 生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据。
  

4.3 解决办法二：信号灯法

• 信号灯法其实就是利用一个外部标志位，结合wait()方法控制整个线程的运行

4.4 解决办法三：线程池

• JDK5.0开始提供了线程相关的API:ExcutorService和Executor

• ExcutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExcutor

• void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable

• Futuresubmit(Callabletask)：执行任务，有返回值，一般用来执行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

05 总结