多线程

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Linux测试环境简单使用教程

主要内容

  • 线程
  • 同步
  • 线程状态
  • 等待与唤醒案例
  • 线程池

学习目标

  • [ ] 说出进程的概念
  • [ ] 说出线程的概念
  • [ ] 能够理解并发与并行的区别
  • [ ] 能够开启新线程
  • [ ] 能够描述Java中多线程运行原理
  • [ ] 能够使用继承类的方式创建多线程
  • [ ] 能够使用实现接口的方式创建多线程
  • [ ] 能够说出实现接口方式的好处
  • [ ] 能够解释安全问题的出现原因
  • [ ] 能够使用同步代码块解决线程安全问题
  • [ ] 能够使用同步方法解决线程安全问题
  • [ ] 能够说出线程6个状态的名称
  • [ ] 能够理解线程通信概念
  • [ ] 能够理解等待唤醒机制
  • [ ] 能够描述Java中线程池运行原理

第一章 多线程

我们在之前,学习的程序在没有跳转语句的前提下,都是由上至下依次执行,那现在想要设计一个程序,边打游戏边听歌,怎么设计?

要解决上述问题,咱们得使用多进程或者多线程来解决.

1.1 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)。

多线程

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。

注意:单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的,只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的,从宏观角度上理解线程是并行运行的,但是从微观角度上分析却是串行运行的,即一个线程一个线程的去运行,当系统只有一个CPU时,线程会以某种顺序执行多个线程,我们把这种情况称之为线程调度。

1.2 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:

进程

多线程

线程

多线程

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。

    • 设置线程的优先级

多线程

  • 抢占式调度详解
大部分操作系统都支持多进程并发运行,现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如:现在一边开着网页一边听歌,还挂着qq微信。此时,这些程序是在同时运行,”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。

实际上,CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言,某个时刻,只能执行一个线程,而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快,看上去就是在同一时刻运行。
其实,多线程程序并不能提高程序的运行速度,但能够提高程序运行效率,让CPU的使用率更高。

多线程

1.3 创建线程类

Java使用java.lang.Thread类代表线程,所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。每个线程的作用是完成一定的任务,实际上就是执行一段程序流即一段顺序执行的代码。Java使用线程执行体来代表这段程序流。Java中通过继承Thread类来创建启动多线程的步骤如下:

  1. 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。
  2. 创建Thread子类的实例,即创建了线程对象
  3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程

代码如下:

测试类:

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);
        }
    }
}

自定义线程类:

public 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,完成该线程执行的逻辑
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName()+":正在执行!"+i);
        }
    }
}

第二章 线程

2.1 多线程原理

先画个多线程执行时序图 来体现一下多线程程序的执行流程。

代码如下:

自定义线程类:

public class MyThread extends Thread{ 
/*
* 利用继承中的特点 
* 将线程名称传递 进行设置
*/
public MyThread(String name){ 
           super(name); 
}
/*
* 重写run方法
* 定义线程要执行的代码 
*/ 
public void run(){
 for (int i = 0; i < 20; i++) {
             //getName()方法 来自父亲
             System.out.println(getName()+i);
             }
        }
  } 

测试类:

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("这里是main线程" );
        MyThread mt = new MyThread("小强");
        mt.start();//开启了一个新的线程
        for (int i = 0; i < 20; i++){
            System.out.println("旺财:"+i);
        }
    }
}

流程图:

多线程

程序启动运行main时候,java虚拟机启动一个进程,主线程main在main()调用时候被创建。随着调用mt的对象的start方法,另外一个新的线程也启动了,这样整个应用就在多线程下运行。

通过这张图我们可以很清晰的看到多线程的执行流程,那么为什么可以完成并发执行呢?我们再来讲一讲原理。

多线程执行时,到底在内存中是如何运行的呢?以上个程序为例,进行图解说明:

多线程执行时,在栈内存中,其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间。进行方法的压栈和弹栈。

多线程

当执行线程的任务结束了,线程自动在栈内存中释放了。但是当所有的执行线程都结束了,那么进程就结束了。

2.2 Thread类

在上面的内容中我们已经可以完成最基本的线程开启,那么在我们完成操作过程中用到了java.lang.Thread类,API中该类中定义了有关线程的一些方法,具体如下:

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。

翻阅API后得知创建线程的方式总共有两种,一种是继承Thread类方式,一种是实现Runnable接口方式,方式一在上面内容已经完成,接下来讲解方式二实现的方式。

2.3 创建线程方式二

采用 java.lang.Runnable 也是非常常见的一种,我们只需要重写run方法即可。

步骤如下:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 调用线程对象的start()方法来启动线程。

代码如下:

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

public class Demo {
    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, "小强");
        t.start();
        for (int i = 0; i < 20; i++){
            System.out.println("旺财" + 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。

tips:Runnable对象仅仅作为Thread对象的target,Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。而实际的线程对象依然是Thread实例,只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

2.4 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。

总结:

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势:

  1. 适合多个相同程序代码的线程去共享同一个资源。
  2. 可以避免Java中的单继承的局限性。
  3. 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。
  4. 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。

扩充:在Java中,每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程,一个是垃圾收集线程。因为每当使用Java命令执行一个类的时候,实际上都会启动一个JVM,每一个JVM其实就是在操作系统中启动了一个进程。

2.5 匿名内部类方式实现线程的创建

使用线程的匿名内部类方式,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:

public class NoNameInnerClassThread {     
    public static void main(String[] args) {
    //       new Runnable(){
    //          public void run(){
    //                  for (int i = 0; i < 20; i++) {
    //                      System.out.println("张宇:"+i); 
    //                  }
    //          } 
    //      }; //‐‐‐这个整体 相当于new MyRunnable()
        Runnable r = new Runnable(){ 
            public void run(){
                for (int i = 0; i < 20; i++) {                    
                    System.out.println("张宇:"+i);
                }
            } 
        };

        new Thread(r).start();
        for (int i =0; i < 20; i++){
            System.out.println("费玉清:" +i); 
        }
    }
}

第三章 线程安全

3.1 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。

我们通过一个案例,演示线程的安全问题:

电影院要卖票,我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “葫芦娃大战奥特曼”,本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。

我们来模拟电影院的售票窗口,实现多个窗口同时卖 “葫芦娃大战奥特曼”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)。

需要窗口,采用线程对象来模拟;需要票,Runnable接口子类来模拟

模拟票:

public class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    // 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) {
                //有票可以卖则出票操作
                //使用sleep模拟出票时间
                try{
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    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--);
            }
        }
    }
}

测试类:

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程对象任务
        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();
    }
}

结果中有一部分这样的现象:

多线程

发现程序出现了两个问题:

  1. 相同的票数,比如5这张票被卖了两回。
  2. 不存在的票,比如0票与-1票,是不存在的。

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。

3.2 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。

根据案例简述:

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

为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。

那么怎么去使用呢?有三种方式完成同步操作:

  1. 同步代码块
  2. 同步方法
  3. 锁机制

3.3 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:

synchronized(同步锁){
    需要同步操作的代码
}

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。

  1. 锁对象 可以是任意类型。
  2. 多个线程对象 要使用同一把锁。

注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着 (BLOCKED)。

使用同步代码块解决代码:

public class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    Object lock = new Object();
    // 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) {
            synchronized(lock) {
                if (ticket > 0) {
                //有票可以卖则出票操作
                //使用sleep模拟出票时间
                try{
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    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--);
                }
            }
        }
    }
}

当使用了同步代码块后,上述的线程的安全问题,解决了。

abp vnext2.0之核心组件模块加载系统源码解析与简单应用

3.4 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。

格式:

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

同步锁是谁?

对于非static方法,同步锁就是this。

对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

使用同步方法代码如下:

public class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    // 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) {
            sellTicket();
        }
    }
    //锁对象 是 谁调用这个方法 就是谁
    // 隐含 锁对象 就是 this
    public synchronized void sellTicket() {
        if (ticket > 0) {
            //有票可以卖则出票操作
            //使用sleep模拟出票时间
            try{
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                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--);
        }
    }
}

3.5 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。

Lock锁也称同步锁,加锁与释放锁方法化了,如下:

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

使用如下:

public class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    // 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) {
            lock.lock();
            if (ticket > 0) {
                //有票可以卖则出票操作
                //使用sleep模拟出票时间
                try{
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    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();
        }
    }
}

第四章 线程状态

4.1 线程状态概述

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:

这里先列出各个线程状态发生的条件,下面将会对每种状态进行详细解析

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
TimedWaiting(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TimedWaiting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。

我们不需要去研究这几种状态的实现原理,我们只需知道在做线程操作中存在这样的状态。那我们怎么去理解这几个状态呢,新建与被终止还是很容易理解的,我们就研究一下线程从Runnable(可运行)状态与非运行状态之间的转换问题。

4.2 Timed Waiting(计时等待)

Timed Waiting在API中的描述为:一个正在限时等待另一个线程执行一个(唤醒)动作的线程处于这一状态。单独的去理解这句话,真是玄之又玄,其实我们在之前的操作中已经接触过这个状态了,在哪里呢?

在我们写卖票的案例中,为了减少线程执行太快,现象不明显等问题,我们在run方法中添加了sleep语句,这样就强制当前正在执行的线程休眠(暂停执行),以“减慢线程”。

其实当我们调用了sleep方法之后,当前执行的线程就进入到“休眠状态”,其实就是所谓的Timed Waiting(计时等待),那么我们通过一个案例加深对该状态的一个理解。

实现一个计数器,计数到100,在每个数字之间暂停1秒,每隔10个数字输出一个字符串

代码:

public class MyThread extends Thread{
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (i % 10 == 0) {
                System.out.println("--------" + i);
            }
            System.out.print(i);
            try{
                Thread.sleep(1000);
                System.out.print("线程睡眠1s!\n");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new MyThread().start();
    }
}

通过案例可以发现,sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点:

  1. 进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法,单独的线程也可以调用,不一定非要有协作关系。
  2. 为了让其他线程有机会执行,可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程 中会睡眠
  3. sleep与锁无关,线程睡眠到期自动苏醒,并返回到Runnable(可运行)状态。

tips:sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此,sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始立刻执行。

Timed Waiting 线程状态图:

多线程

4.3 BLOCKED (锁阻塞)

Blocked状态在API中的介绍为:一个正在阻塞等待一个监视器锁(锁对象)的线程处于这一状态。

我们已经学完同步机制,那么这个状态是非常好理解的了。比如,线程A与线程B代码中使用同一锁,如果线程A获取到锁,线程A进入到Runnable状态,那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。

这是由Runnable状态进入Blocked状态。除此Waiting以及Time Waiting状态也会在某种情况下进入阻塞状态,而这部分内容作为扩充知识点带领大家了解一下。

Blocked 线程状态图

多线程

4.4 Waiting (无限等待)

Wating状态在API中介绍为:一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的(唤醒)动作的线程处于这一状态。

那么我们之前遇到过这种状态吗?答案是并没有,但并不妨碍我们进行一个简单深入的了解。我们通过一段代码来学习一下:

public class WaitingTest { 
    public static Object obj = new Object(); 

    public static void main(String[] args) { 
    // 演示waiting 
        new Thread(new Runnable() {
            @Override 
            public void run() { 
                while (true){ 
                    synchronized (obj){
                        try {
                            System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"=== 获取到锁对象,调用wait方法,进入waiting状态,释放锁对象"); 
                            obj.wait(); //无限等待      
                            //obj.wait(5000); //计时等待, 5秒 时间到,自动醒来 
                            } catch (InterruptedException e) { 
                              e.printStackTrace(); 
                            }
                            System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "=== 从waiting状 态醒来,获取到锁对象,继续执行了");
                          }
                        }
                   } 
         },"等待线程").start(); 

         new Thread(new Runnable() { 
            @Override 
            public void run() {
            // while (true){ //每隔3秒 唤醒一次
                try {
                    System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 等待3秒钟"); 
                    Thread.sleep(3000); 
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                }
                
                synchronized (obj){ 
                    System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 获取到锁对 象,调用notify方法,释放锁对象"); 
                    obj.notify(); 
                } 
            }
        // } 
        },"唤醒线程").start(); 
    } 
}

通过上述案例我们会发现,一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的Object.notify()方法 或 Object.notifyAll()方法。

其实waiting状态并不是一个线程的操作,它体现的是多个线程间的通信,可以理解为多个线程之间的协作关系,多个线程会争取锁,同时相互之间又存在协作关系。就好比在公司里你和你的同事们,你们可能存在晋升时的竞争,但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

当多个线程协作时,比如A,B线程,如果A线程在Runnable(可运行)状态中调用了wait()方法那么A线程就进入了Waiting(无限等待)状态,同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁,在运行状态中调用了notify()方法,那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒,如果获取到锁对象,那么A线程唤醒后就进入Runnable(可运行)状态;如果没有获取锁对象,那么就进入到Blocked(锁阻塞状态)。

Waiting线程状态图

多线程

4.5 补充知识点

到此为止我们已经对线程状态有了基本的认识,想要有更多的了解,详情可以见下图:

多线程

一条有意思的tips: 我们在翻阅API的时候会发现Timed Waiting(计时等待) 与 Waiting(无限等待) 状态联系还是很紧密的, 比如Waiting(无限等待) 状态中wait方法是空参的,而timed waiting(计时等待) 中wait方法是带参的。 这种带参的方法,其实是一种倒计时操作,相当于我们生活中的小闹钟,我们设定好时间,到时通知,可是 如果提前得到(唤醒)通知,那么设定好时间在通知也就显得多此一举了,那么这种设计方案其实是一举两 得。如果没有得到(唤醒)通知,那么线程就处于Timed Waiting状态,直到倒计时完毕自动醒来;如果在倒 计时期间得到(唤醒)通知,那么线程从Timed Waiting状态立刻唤醒。

第五章 等待唤醒机制

5.1 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。

多线程

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。

5.2 等待唤醒机制

什么是等待唤醒机制

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。就好比在公司里你和你的同事们,你们可能存在在晋升时的竞争,但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

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

等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的,使用到的3个方法的含义如下:

  1. 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
  2. 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。
  3. notifyAll:则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意:

哪怕只通知了一个等待的线程,被通知线程也不能立即恢复执行,因为它当初中断的地方是在同步块内,而此刻它已经不持有锁,所以她需要再次尝试去获取锁(很可能面临其它线程的竞争),成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下:

  • 如果能获取锁,线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态;
  • 否则,从 wait set 出来,又进入 entry set,线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态

调用wait和notify方法需要注意的细节

  1. wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为:对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
  2. wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为:锁对象可以是任意对象,而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
  3. wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为:必须要通过锁对象调用这2个方法。

5.3 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。

代码演示:

包子资源类:

public class BaoZi {
     String  pier ;
     String  xianer ;
     boolean  flag = false ;//包子资源 是否存在  包子资源状态
}

吃货线程类:

public class ChiHuo extends Thread{
    private BaoZi bz;

    public ChiHuo(String name,BaoZi bz){
        super(name);
        this.bz = bz;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            synchronized (bz){
                if(bz.flag == false){//没包子
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("吃货正在吃"+bz.pier+bz.xianer+"包子");
                bz.flag = false;
                bz.notify();
            }
        }
    }
}

包子铺线程类:

public class BaoZiPu extends Thread {

    private BaoZi bz;

    public BaoZiPu(String name,BaoZi bz){
        super(name);
        this.bz = bz;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        //造包子
        while(true){
            //同步
            synchronized (bz){
                if(bz.flag == true){//包子资源  存在
                    try {

                        bz.wait();

                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                // 没有包子  造包子
                System.out.println("包子铺开始做包子");
                if(count%2 == 0){
                    // 冰皮  五仁
                    bz.pier = "冰皮";
                    bz.xianer = "五仁";
                }else{
                    // 薄皮  牛肉大葱
                    bz.pier = "薄皮";
                    bz.xianer = "牛肉大葱";
                }
                count++;

                bz.flag=true;
                System.out.println("包子造好了:"+bz.pier+bz.xianer);
                System.out.println("吃货来吃吧");
                //唤醒等待线程 (吃货)
                bz.notify();
            }
        }
    }
}

测试类:

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //等待唤醒案例
        BaoZi bz = new BaoZi();

        ChiHuo ch = new ChiHuo("吃货",bz);
        BaoZiPu bzp = new BaoZiPu("包子铺",bz);

        ch.start();
        bzp.start();
    }
}

执行效果:

包子铺开始做包子
包子造好了:冰皮五仁
吃货来吃吧
吃货正在吃冰皮五仁包子
包子铺开始做包子
包子造好了:薄皮牛肉大葱
吃货来吃吧
吃货正在吃薄皮牛肉大葱包子
包子铺开始做包子
包子造好了:冰皮五仁
吃货来吃吧
吃货正在吃冰皮五仁包子

第六章 线程池

6.1 线程池思想概述

多线程

我们使用线程的时候就去创建一个线程,这样实现起来非常简便,但是就会有一个问题:

如果并发的线程数量很多,并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了,这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率,因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。

那么有没有一种办法使得线程可以复用,就是执行完一个任务,并不被销毁,而是可以继续执行其他的任务?

在Java中可以通过线程池来达到这样的效果。下面我们就来详细讲解一下Java的线程池。

6.2 线程池概念

  • 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。

由于线程池中有很多操作都是与优化资源相关的,我们在这里就不多赘述。我们通过一张图来了解线程池的工作原理:

多线程

合理利用线程池能够带来三个好处:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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)。

6.3 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:

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

Runnable实现类代码:

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("我要一个教练");
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("教练来了: " + Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("教我游泳,交完后,教练回到了游泳池");
    }
}

线程池测试类:

public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池对象
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
        // 创建Runnable实例对象
        MyRunnable r = new MyRunnable();

        //自己创建线程对象的方式
        // Thread t = new Thread(r);
        // t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run()

        // 从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
        service.submit(r);
        // 再获取个线程对象,调用MyRunnable中的run()
        service.submit(r);
        service.submit(r);
        // 注意:submit方法调用结束后,程序并不终止,是因为线程池控制了线程的关闭。
        // 将使用完的线程又归还到了线程池中
        // 关闭线程池
        //service.shutdown();
    }
}

DNS隧道工具:iodine使用

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原文地址:《多线程》 发布于2020-02-05

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