1、实现多线程
1.1 进程
进程：是正在运行的程序，是系统进行资源分配和调用的独立单位
每一个进程都有它自己的内存空间和系统资源
1.2 线程
线程：是进程中的单个顺序控制流，是一条执行路径
单线程：一个进程如果只有一条执行路径，则称为单线程程序
多线程：一个进程如果有多条执行路径，则称为多线程程序
1.3 多线程的实现方式
方式1：继承Thread类
- 定义一个类MyThread继承Thread类
- 在MyThread类中重写run()方法
- 创建MyThread类的对象
- 启动线程
// 定义一个类MyThread继承Thread类
public class MyThread extends Thread {
public MyThread() {
}
public MyThread(String name) {
super(name);
}
// 在MyThread类中重写run()方法
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(this.getName()+"："+i);
}
}
}
public class MyThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建MyThread类的对象
MyThread thread1 = new MyThread();
// run()并没有真正启动线程,run()是封装线程执行的代码，直接调用，相当于普通方法的调用
// thread1.run();
// 启动线程
// void start() 导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法
thread1.start();
}
}
两个小问题：
-
为什么要重写run()方法？
因为run()是用来封装被线程执行的代码
-
run()方法和start()方法的区别？
run()：封装线程执行的代码，直接调用，相当于普通方法的调用
start()：启动线程；然后由JVM调用此线程的run()方法
方式2：实现Runnable接口
- 定义一个类MyRunnable实现Runnable接口
- 在MyRunnable类中重写run()方法
- 创建MyRunnable类的对象
- 创建Thread类的对象，把MyRunnable对象作为构造方法的参数
- 启动线程
// 定义一个类MyRunnable实现Runnable接口
public class MyRunnable implements Runnable {
// 在MyRunnable类中重写run()方法
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
}
}
}
public class MyRunnableDemo {
public static void main(String[] args) {
MyRunnable my = new MyRunnable();
// Thread(Runnable runnable):构造方法，传入一个实现了Runnable接口的参数
Thread t1 = new Thread(my);
Thread t2 = new Thread(my);
// 启动线程
t1.start();
t2.start();
}
}
实现Runnable接口的好处
- 避免了Java单继承的局限性
- 适合多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况，把线程和程序的代码、数据有效分离，较好的体现了面向对象的设计思想
1.4 设置和获取线程名称
Thread类中设置和获取线程名称的方法
- void setName(String name)：将此线程的名称更改为等于参数name
- String getName()：返回此线程的名称
- 通过构造方法也可以设置线程名称
public class MyThread extends Thread {
public MyThread(String name){
super(name);
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println(getName()+":"+i);
}
}
}
public class MyThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
MyThread mt1 = new MyThread("刘备");
MyThread mt2 = new MyThread();
MyThread mt3 = new MyThread();
// 这里调用的是Thread类中的setName方法
mt2.setName("关羽");
mt3.setName("张飞");
mt2.start();
mt3.start();
}
}
如何获取main()方法所在的线程名称
- static Thread currentThread()：返回当前正在执行的线程对象的引用
public class MyThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
// static Thread currentThread()：返回当前正在执行的线程对象的引用
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
｝
｝
1.5 线程调度
线程有两种调度模型
- 分时调度模型：所有线程轮流使用CPU的使用权，平均分配每个线程占用CPU的时间片
- 抢占式调度模型：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优先级高的线程获取的CPU时间片相对多一些
Java使用的是抢占式调度模型
假如计算机只有一个CPU，那么CPU在某一个时刻只能执行一条指令，线程只有得到CPU时间片，也就是使用权，才可以执行指令。所以说多线程程序的执行是有随机性的，因为谁抢到CPU的使用权是不一定的。
线程优先级
- Thread类中设置和获取线程优先级的方法
- public final int getPriority()：返回此线程的优先级
- public final void setPriority(int new Priority)：更改此线程的优先级
- 线程默认优先级是5；线程优先级的范围是1-10
- 线程优先级高仅仅表现线程获取的CPU时间片的几率高，但是要在次数比较多，或者多次运行的时候才能看到你想要的效果
public class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(this.getName()+"："+i);
}
}
}
public class MyThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
MyThread thread1 = new MyThread();
MyThread thread2 = new MyThread();
MyThread thread3 = new MyThread();
// 线程默认的优先级为5
System.out.println(thread1.getPriority()); // 5
System.out.println(thread2.getPriority()); // 5
System.out.println(thread3.getPriority()); // 5
// public final void setPriority(int new Priority)：更改此线程的优先级
// IllegalArgumentException:抛出表示一种方法已经通过了非法或不正确的参数
// thread1.setPriority(10000);
// Thread中有三个静态常量分别表示最高优先级、最低优先级和默认优先级
System.out.println(Thread.MAX_PRIORITY);// 10
System.out.println(Thread.MIN_PRIORITY);// 1
System.out.println(Thread.NORM_PRIORITY);// 5
// 设置正确的线程优先级
thread1.setPriority(10);
thread2.setPriority(1);
thread3.setPriority(3);
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
}
}
1.6 线程控制
static void sleep(long millis)：使当前正在执行的线程停留(暂停执行)指定的毫秒数
public class ThreadSleep extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(getName() + ":" + i);
try {
sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public class ThreadSleepDemo {
public static void main(String[] args) {
ThreadSleep ts1 = new ThreadSleep();
ThreadSleep ts2 = new ThreadSleep();
ThreadSleep ts3 = new ThreadSleep();
ts1.setName("曹操");
ts2.setName("刘备");
ts3.setName("孙权");
ts1.start();
ts2.start();
ts3.start();
}
}
void join()：等待这个线程死亡
public class ThreadJoin extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(getName()+":"+i);
}
}
}
public class ThreadJoinDemo {
public static void main(String[] args) {
ThreadJoin tj1 = new ThreadJoin();
ThreadJoin tj2 = new ThreadJoin();
ThreadJoin tj3 = new ThreadJoin();
tj1.setName("康熙");
tj2.setName("四阿哥");
tj3.setName("八阿哥");
tj1.start();
try {
tj1.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
tj2.start();
tj3.start();
}
}
void setDaemon(boolean on)：将此线程标记为守护线程，当运行的线程都是守护线程时，JVM将退出
public class ThreadDaemon extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(getName()+":"+i);
}
}
}
public class ThreadDaemonDemo {
public static void main(String[] args) {
ThreadDaemon td1 = new ThreadDaemon();
ThreadDaemon td2 = new ThreadDaemon();
td1.setName("关羽");
td2.setName("张飞");
Thread thread = Thread.currentThread();
thread.setName("刘备");
td1.setDaemon(true);
td2.setDaemon(true);
td1.start();
td2.start();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(thread.getName()+":"+i);
}
}
}
1.7 线程的生命周期
2、线程同步
2.1 买票
需求：
- 某电影院目前正在上映国产大片，共有100张票，而它有3个窗口买票，请设计一个程序模拟该电影院买票
思路：
-
定义一个SellTicket实现Runnable接口，里面定义一个成员变量private int tickets = 100；
-
在SellTicket类中重写run()方法实现卖票，代码步骤如下
- 判断票数大于0，就卖票，并告知是哪个窗口卖的
- 卖了票之后，总票数要减一
- 票没有了，也有可能有人来问，所以这里用死循环让卖票动作一直执行
-
定义一个测试类SellTicketDemo，里面有main方法，代码执行如下
-
创建SellTicket类的对象
-
创建三个Thread类的对象，把SellTicket对象作为构造方法的参数，并给出对应的窗口名
-
启动线程
-
public class SellTicket implements Runnable {
private int tickets = 100;
@Override
public void run() {
while (true) {
if (tickets> 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第"
+tickets+"张票");
tickets--;
}
}
}
}
public class SellTicketDemo {
public static void main(String[] args) {
SellTicket s = new SellTicket();
Thread t1 = new Thread(s,"一号窗口");
Thread t2 = new Thread(s,"二号窗口");
Thread t3 = new Thread(s,"三号窗口");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
买票出现了问题
相同的票出现了多次
@Override
public void run() {
// 出现了相同的票
while (true) {
// tickets = 100;
// t1,t2,t3
// 假设t1线程抢到CPU的执行权
if (tickets> 0) {
// 通过sleep()方法来模拟出票时间
try {
Thread.sleep(100);
// t1线程休息100毫秒
// t2线程抢到了CPU的执行权，t2线程就开始执行，执行到这里时，t2线程休息100毫秒
// t3线程抢到了CPU的执行权，t3线程就开始执行，执行到这里时，t3线程休息100毫秒
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 假设线程按照顺序醒过来
// t1抢到CPU的执行权，在控制台输出：窗口1正在出售第100张票
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第"
+tickets+"张票");
// t2抢到CPU的执行权，在控制台输出：窗口2正在出售第100张票
// t3抢到CPU的执行权，在控制台输出：窗口3正在出售第100张票
tickets--;
// 如果这三个线程还是按照顺序来，这里就执行了3次--操作，最终票变为97
}
}
}
出现了负数的票
@Override
public void run() {
// 出现了负数的票
while (true) {
// tickets = 100;
// t1,t2,t3
// 假设t1线程抢到CPU的执行权
if (tickets > 0) {
// 通过sleep()方法来模拟出票时间
try {
Thread.sleep(100);
// t1线程休息100毫秒
// t2线程抢到了CPU的执行权，t2线程就开始执行，执行到这里时，t2线程休息100毫秒
// t3线程抢到了CPU的执行权，t3线程就开始执行，执行到这里时，t3线程休息100毫秒
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 假设线程按照顺序醒过来
// t1抢到了CPU的执行权，在控制台输出：窗口1正在出售第1张票
// 假设t1继续拥有CPU的执行权，就会执行ticket--的操作，ticket= 0
// t2抢到了CPU的执行权，在控制台输出：窗口2正在出售第0张票
// 假设t2继续拥有CPU的执行权，就会执行ticket--的操作，ticket= -1
// t3抢到了CPU的执行权，在控制台输出：窗口3正在出售第-1张票
// 假设t3继续拥有CPU的执行权，就会执行ticket--的操作，ticket= -2
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第"
+tickets+"张票");
tickets--;
}
}
}
问题原因
线程执行的随机性导致的
2.2 买票案例数据安全问题
- 为什么出现问题？(这也是我们判断多线程程序是否会有数据安全问题的标准)
- 是否是多线程环境
- 是否有数据共享
- 是否有多条语句操作共享数据
- 如何解决多线程的安全问题？
- 基本思路：让程序没有安全问题的环境
- 怎么实现呢？
- 把多条语句操作共享数据的代码给锁起来，让任意时刻只能有一个线程执行即可
- Java提供了同步代码块的方式来解决
2.3 同步代码块
锁多条语句操作共享数据，可以使用同步代码块实现
格式：
synchronized(任意对象){
多条语句操作共享数据的代码块
}
synchronized(任意对象)：就相当于给代码加锁了，任意对象就可以看成是一把锁
public class SellTicket implements Runnable {
private int tickets = 100;
// 这个是锁对象，可以是任意对象
// 例如Student s = new Studnent();Integer i = new Integer()都是可以的
// 只不过在synchronized()中要输入相同的对象，以代表被synchronized包裹的代码是被同一把锁锁住的
Object obj = new Object();
@Override
public void run() {
while (true) {
// 传入任意对象即可，也可以用匿名类的方法
// synchronized(new Object()){
synchronized (obj) {
if (tickets > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第"
+ tickets + "张票");
tickets--;
}
}
}
}
}
public class SellTicketDemo {
public static void main(String[] args) {
SellTicket s = new SellTicket();
Thread t1 = new Thread(s,"一号窗口");
Thread t2 = new Thread(s,"二号窗口");
Thread t3 = new Thread(s,"三号窗口");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
同步的好处和弊端
- 好处：解决了多线程的数据安全问题
- 弊端：当线程很多时，因为每个线程都会去判断同步上的锁，很耗费资源，无形中会降低程序的运行效率
2.4 同步方法
同步方法：就是把synchronized关键字加到方法上
- 格式：修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(方法参数){...}
public class SellTicket implements Runnable {
private int tickets = 100;
private int x = 0;
@Override
public void run() {
while (true) {
if(x%2 == 0){
// 这里使用this关键字获取当前调用方法的对象
// 如果继续使用object的话会因为用的不是同一把锁导致没有同步执行
synchronized (this) {
if (tickets > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ "正在出售第" + tickets + "张票");
tickets--;
}
}
}else{
sellTicket();
}
x++;
}
}
// 同步代码锁的对象是this
public synchronized void sellTicket() {
if (tickets > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ "正在出售第" + tickets + "张票");
tickets--;
}
}
}
public class SellTicketDemo {
public static void main(String[] args) {
SellTicket s = new SellTicket();
Thread t1 = new Thread(s,"一号窗口");
Thread t2 = new Thread(s,"二号窗口");
Thread t3 = new Thread(s,"三号窗口");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
同步方法的锁对象是什么？
- this
同步静态方法：就是把synchronized关键字加到静态方法上
- 格式：修饰符 static synchronized 返回值类型 方法名(方法参数){...}
public class SellTicket implements Runnable {
// 静态方法调用静态变量，所以讲tickets用static修饰符修饰
private static int tickets = 100;
private int x = 0;
@Override
public void run() {
while (true) {
if(x%2 == 0){
// 静态方法的锁的对象是类名.class
synchronized (SellTicket.class) {
if (tickets > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ "正在出售第" + tickets + "张票");
tickets--;
}
}
}else{
sellTicket();
}
x++;
}
}
// 静态方法的锁的对象是类名.class
public static synchronized void sellTicket() {
if (tickets > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ "正在出售第" + tickets + "张票");
tickets--;
}
}
}
public class SellTicketDemo {
public static void main(String[] args) {
SellTicket s = new SellTicket();
Thread t1 = new Thread(s,"一号窗口");
Thread t2 = new Thread(s,"二号窗口");
Thread t3 = new Thread(s,"三号窗口");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
同步静态方法的锁对象是什么
- 类名.class
2.5 线程安全的类
StringBuffer
- 线程安全，可变的字符序列。
- 从版本JDK5开始，这个类已经被一个等同的类补充了，它被设计为使用一个线程，StringBuilder。通常应该使用StringBuilder类，因为它支持所有相同的操作，但它更快，因为它不执行同步。
Vector
- 从Java2平台v1.2开始，该类改进了List接口，使其成为Java Collections Framework的成员。与新的集合实现不同，Vector被同步。如果不需要线程安全的实现，建议使用ArrayList代替Vector
Hashtable
- 该类实现了一个哈希表，它将键映射到值。任何非null对象都可以用作键值或值。
- 从Java 2平台v1.2开始，该类进行了改进，实现了Map接口，成为Java Collections Framework的成员。与新的集合实现不同，Hashtable被同步。如果不需线程安全的实现，建议用HashMap代替Hashtable。
/*
线程安全的类
StringBuffer
Vector
Hashtable
*/
public class ThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
// 一般线程安全类中只用StringBuffer，因为ArrayList和HashMap可以通过Collections的指定方法返回一个同步列表
StringBuffer sb = new StringBuffer();
List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());
Vector<String> v = new Vector<>();
Map<String, String> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, String>());
Hashtable<String, String> ht = new Hashtable<>();
}
}
2.6 Lock锁
虽然我们可以理解同步代码块和同步方法的锁对象问题，但是我们并没有直接看到在哪里加上了锁，在哪里释放了锁
为了更清晰的表达如何加锁和释放锁，JDK5以后提供了一个新的锁对象Lock
Lock实现提供比使用synchronized方法和语句可以获得更广泛的锁定操作
- Lock中提供了获得锁和释放锁的方法
- void lock()：获得锁
- void unlock()：释放锁
Lock是接口，不能直接实例化，这里采用它的实现类ReentrantLock来实例化
- Reentrantlock的构造方法
- ReentrantLock()：创建一个ReentrantLock的实例
因为代码运行中可能会出现异常，导致不能释放锁，所以使用try{}finally{}语句块
public class SellTicket implements Runnable {
private static int tickets = 100;
// ReentrantLock()：创建一个ReentrantLock的实例
private Lock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
// void lock()：获得锁
lock.lock();
if (tickets > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ "正在出售第" + tickets + "张票");
tickets--;
}
} finally {
// void unlock()：释放锁
lock.unlock();
}
}
}
}
public class SellTicketDemo {
public static void main(String[] args) {
SellTicket s = new SellTicket();
Thread t1 = new Thread(s,"一号窗口");
Thread t2 = new Thread(s,"二号窗口");
Thread t3 = new Thread(s,"三号窗口");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
3、生产者消费者
3.1 生产者消费者模式概述
生产者消费者模式是一个十分经典的多线程协作的模式，弄懂生产者消费者问题能够让我们对多线程编程的理解更加深刻
所谓生产者消费者问题，实际上主要是包含了两类线程：
- 一类是生产者线程用于生产数据
- 一类是消费者线程用于消费数据
为了解耦生产者和消费者的关系，通常会采用共享的数据区域，就像是一个仓库
- 生产者生产数据之后直接放置在共享数据区中，并不需要关心消费者的行为
- 消费者只需要从共享数据区中去获取数据，并不需要关心生产者的行为
- 生产者----→共享数据区域←----消费者
为了体现生产和消费过程中的等待和唤醒，Java就提供了几个方法供我们使用，这几个方法在Object类中
Object类的等待和唤醒方法：
- void wait() 导致当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的notify()方法或notifyAll()方法
- void notify() 唤醒正在等待对象监视器的单个线程。
- void notifyAll() 唤醒正在等待对象监视器的所有线程。
3.2 生产着消费者案例
生产者消费者案例中包含的类：
- 奶箱类(Box)：定义一个成员变量，表示第X瓶奶，提供存储牛奶和获取牛奶的操作
- 生产者类(Producer)：实现Runnable接口，重写run()方法，调用存储牛奶的操作
- 消费者类(Customer)：实现Runnable接口，重写run()方法，调用获取牛奶的操作
- 测试类(BoxDemo)：里面有main方法，main方法中的代码步骤如下
- 创建奶箱对象，这是共享数据区域
- 创建消费者对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递，因为在这个类中要调用获取牛奶的操作
- 创建两个线程对象，分别把生产者对象和消费者对象作为构造方法参数传递
- 启动线程
// 1.奶箱类(Box)：定义一个成员变量，表示第X瓶奶，提供存储牛奶和获取牛奶的操作
public class Box {
private int milk = 0;
private static final int MAX_NUM = 50;
private static final int MIN_NUM = 0;
// IllegalMonitorStateException不拥有指定的监视器，方法不用synchronized修饰时抛出
// 需要添加同步关键字synchronized
// 写了等待还要写唤醒
public synchronized void getMilk() {
if (milk<=MIN_NUM) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("消费者拿到第" + milk + "瓶奶");
milk--;
// 不写唤醒最多各自执行一次之后，两条进程全部进入等待状态
notify();
}
public synchronized void setMilk() {
if (milk>=MAX_NUM) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
milk++;
System.out.println("生产者将第" + milk + "瓶奶放入奶箱");
notify();
}
}
// 2.生产者类(Producer)：实现Runnable接口，重写run()方法，调用存储牛奶的操作
public class Producer implements Runnable {
Box box;
public Producer() {
}
public Producer(Box box) {
this.box = box;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
box.setMilk();
}
}
}
// 3.消费者类(Customer)：实现Runnable接口，重写run()方法，调用获取牛奶的操作
public class Customer implements Runnable {
Box box;
public Customer() {
}
public Customer(Box box) {
this.box = box;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
box.getMilk();
}
}
}
public class BoxDemo {
public static void main(String[] args) {
Box box = new Box();
Producer p = new Producer(box);
Customer c = new Customer(box);
Thread t1 = new Thread(p);
Thread t2 = new Thread(c);
t1.start();
t2.start();
}
}
小结：
- 共享数据区域的数据要进行监控，否则消费者会无限制的从共享数据区域拿到数据致使数据变成负数