java基础——多线程

第3章 多线程

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 “功夫熊猫3”，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 “功夫熊猫3”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

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建票对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        
        //创建3个窗口
        Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");
        
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            if (ticket > 0) {
                //模拟选坐的操作
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
            }
        }
    }

运行结果发现：上面程序出现了问题

(1)票出现了重复的票

(2)错误的票 0、-1

其实，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（线程安全处理Synchronized）

java中提供了线程同步机制，它能够解决上述的线程安全问题。

线程同步的方式有两种：

l 方式1：同步代码块

l 方式2：同步方法

3.2.1 同步代码块

同步代码块的原理：

同步代码块: 在代码块声明上 加上synchronized

synchronized (锁对象) {
    可能会产生线程安全问题的代码
}

同步代码块中的锁对象可以是任意的对象；但多个线程时，要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。

使用同步代码块，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //同步代码块
            synchronized (lock){
                if (ticket > 0) {
                    //模拟电影选坐的操作
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
                }
            }
        }
    }
}

当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了，但是执行的速度变慢了。但是只能牺牲速度，来保证安全

3.2.2 同步方法

l 同步方法：在方法声明上加上synchronized

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

同步方法中的锁对象是 this

使用同步方法，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //同步方法
            method();
        }
    }

//同步方法,锁对象this,相当于synchronized(this){}
    public synchronized void method(){
        if (ticket > 0) {
            //模拟选坐的操作
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
        }
    }
}

l 静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized

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

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    private static int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //同步方法
            method();
        }
    }

//同步方法,锁对象是本类自己.class属性相当于synchronized(Tickets.class){}
    public static synchronized void method(){
        if (ticket > 0) {
            //模拟选坐的操作
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
        }
    }
}

* 通过同步方法形式，解决线程的安全问题
* 好处：代码简洁
* 将线程共享数据，和同步，抽取到一个方法中
* 在方法声明上，加上同步关键字
*
* 问题：
*      同步方法有锁吗，肯定有，同步方法中的对象锁，是本类对象引用this
*      如果方法是静态的,同步也有锁，但是不是this，
*          因为this属于对象引用，静态不属于对象，而且静态优先非静态存在，也不能是super

*          静态方法中，同步锁是本类自己.class属性（为什么？）

3.3 Lock接口

查阅API，查阅Lock接口描述，Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。

l Lock接口中的常用方法

Lock提供了一个更加面对对象的锁，在该锁中提供了更多的操作锁的功能。

我们使用Lock接口，以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    
    //创建Lock锁对象
    Lock ck = new ReentrantLock();
    
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //synchronized (lock){
            ck.lock();
                if (ticket > 0) {
                    //模拟选坐的操作
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
                }
            ck.unlock();
            //}
        }
    }
}

 

3.3.1 死锁的原理

同步锁使用的弊端：当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时，如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象：程序出现无限等待，这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){
    synchronized(B锁){
         
　　}　
}

我们进行下死锁情况的代码演示：

l 定义锁对象类

 

/**
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/16.
 */
public class LockA {
    //创建私有的构造器，外部类就无法在new LockA(),但是在本类内部可以,外部不可调用
    private LockA() {}
    //非静态对象，所以外部调用该对象时，必须要先创建实例，但是由于存在私有的构造器，所以外部无法调用
    //LockA lockA = new LockA();

    //静态对象，外部类可以直接用类名进行调用
    public final static LockA lockA = new LockA();
}

 

/**
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/16.
 */
public class LockB {
    private LockB(){}

    public final static LockB lockB = new LockB();
}

l 线程任务类

 

/**
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/16.
 */
public class DeadLock implements Runnable {
    private int i = 0;
    @Override
    public void run() {
        //需要死循环，线程多次抢占资源,产生死锁的概率比较大
        //因为有可能在存在A对象抢占资源太快，而B对象在A抢完所有锁，并释放的时候才开始
        while (true) {
            if (i%2 == 0) {
                //如果i是偶数，就先进入A同步，再进入B同步
                synchronized (LockA.lockA) {
                    System.out.println("if...lockA");
                    synchronized (LockB.lockB) {
                        System.out.println("if...lockB");
                    }
                }
            } else {
                //如果i是奇数，就先进入B同步，再进入A同步
                synchronized (LockB.lockB) {
                    System.out.println("else...lockB");
                    synchronized (LockA.lockA) {
                        System.out.println("else...lockA");
                    }
                }
            }
            i++;
        }
    }
}

 

测试类

/**
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/16.
 */
public class DeadLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        DeadLock dead = new DeadLock();
        Thread t0 = new Thread(dead);
        Thread t1 = new Thread(dead);
        t0.start();
        t1.start();
    }
}

3.4 等待唤醒机制

在开始讲解等待唤醒机制之前，有必要搞清一个概念——线程之间的通信：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。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。

等待唤醒机制所涉及到的方法：

　　l wait（） :等待，将正在执行的线程释放其执行资格 和 执行权，并存储到线程池中。

　　l notify（）：唤醒，唤醒线程池中被wait（）的线程，一次唤醒一个，而且是任意的。

　　l notifyAll（）： 唤醒全部：可以将线程池中的所有wait() 线程都唤醒。

其实，所谓唤醒的意思就是让 线程池中的线程具备执行资格。必须注意的是，这些方法都是在 同步中才有效。同时这些方法在使用时必须标明所属锁，这样才可以明确出这些方法操作的到底是哪个锁上的线程。

仔细查看JavaAPI之后，发现这些方法 并不定义在 Thread中，也没定义在Runnable接口中，却被定义在了Object类中，为什么这些操作线程的方法定义在Object类中？

因为这些方法在使用时，必须要标明所属的锁，而锁又可以是任意对象。能被任意对象调用的方法一定定义在Object类中。

接下里，我们先从一个简单的示例入手:

如上图说示，输入线程向Resource中输入name ,sex , 输出线程从资源中输出，先要完成的任务是：

　　l 1.当input发现Resource中没有数据时，开始输入，输入完成后，叫output来输出。如果发现有数据，就wait();

　　l 2.当output发现Resource中没有数据时，就wait() ；当发现有数据时，就输出，然后，叫醒input来输入数据。

 

下面代码，模拟等待唤醒机制的实现：

 模拟资源类

/**
 * 定义资源类，有2个成员变量
 * name,sex
 * 同时有两个线程对资源中的变量操作
 * 1个对name,sex赋值
 * 1个对nam,sex输出打印
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/17.
 */
public class Resource {
    public String name;
    public String sex;
    public boolean flag = false;
}

输入线程任务类

/**
 * 输入线程，对资源对象Resource中成员变量赋值
 * 一次赋值张三，男
 * 下一次赋值李四，女
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/17.
 */
public class Input implements Runnable {
    private Resource r;
    public Input(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        int i = 0;
        while (true) {
            synchronized (r) {
                //标记是true，等待
                if (r.flag) {
                    try {
                        r.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                if (i%2 == 0) {
                    r.name = "张三";
                    r.sex = "男";
                } else {
                    r.name = "lise";
                    r.sex = "nv";
                }
                //将对方线程唤醒，标记改为true
                r.flag = true;
                r.notify();
            }
            i++;
        }
    }
}

l 输出线程任务类

 

/**
 * 输出线程，对资源对象Resource中成员变量，输出值
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/17.
 */
public class Output implements Runnable {
    private Resource r;
    public Output(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (r) {
                //判断标记，是fasle，等待
                if (!r.flag) {
                    try {
                        r.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println(r.name+":"+r.sex);
                //将标记改为false，唤醒对方线程
                r.flag = false;
                r.notify();
            }
        }
    }
}

 

测试类

/**
 * 开启输入输出线程，实现线程的赋值和打印值
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/17.
 */
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Resource r = new Resource();
        Input in = new Input(r);
        Output out = new Output(r);

        Thread tin = new Thread(in);
        Thread tout = new Thread(out);

        tin.start();
        tout.start();
    }

}

输出：

 

lise:nv
张三:男
lise:nv
张三:男
lise:nv
张三:男
lise:nv
张三:男
lise:nv
张三:男
lise:nv
张三:男
lise:nv
张三:男
lise:nv
张三:男
lise:nv
张三:男
lise:nv

第4章 总结

4.1 知识点总结

同步锁

多个线程想保证线程安全，必须要使用同一个锁对象

同步代码块

 synchronized (锁对象){
    可能产生线程安全问题的代码
}

同步代码块的锁对象可以是任意的对象

同步方法

 

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

 

同步方法中的锁对象是 this

静态同步方法

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

静态同步方法中的锁对象是 类名.class

多线程有几种实现方案，分别是哪几种?

a, 继承Thread类

b, 实现Runnable接口

c, 通过线程池，实现Callable接口

l 同步有几种方式，分别是什么?

a,同步代码块

b,同步方法

  静态同步方法

l 启动一个线程是run()还是start()?它们的区别?

启动一个线程是start()

区别：

start： 启动线程，并调用线程中的run()方法

run  : 执行该线程对象要执行的任务

l sleep()和wait()方法的区别

sleep: 不释放锁对象, 释放CPU使用权

在休眠的时间内，不能唤醒

wait(): 释放锁对象, 释放CPU使用权

在等待的时间内，能唤醒

 

l 为什么wait(),notify(),notifyAll()等方法都定义在Object类中

锁对象可以是任意类型的对象