java的线程、创建线程的 3 种方式、静态代理模式、Lambda表达式简化线程

0、介绍

线程：多个任务同时进行，看似多任务同时进行，但实际上一个时间点上我们大脑还是只在做一件事情。程序也是如此，除非多核cpu，不然一个cpu里，在一个时间点里还是只在做一件事，不过速度很快的切换，造成同时进行的错觉。

多线程：

方法间调用：普通方法调用，从哪里来到哪里去，是一条闭合的路径；
使用多线程：开辟了多条路径。

进程和线程：

也就是 Process 和 Thread ，本质来说，进程作为资源分配的单位，线程是调度和执行的单位。具体来说：

• 每个进程都有独立的代码和数据空间（进程上下文），进程间切换会有较大开销，操作系统中同时运行多个任务就是进程；
• 线程可以看成轻量级的线程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程有独立的运行栈和程序计数器（PC），线程切换的开销较小，同一个应用程序里多个顺序流在执行，他们就是线程，除了CPU外，不会为线程分配内存，它自己使用的是所属进程的资源，线程组只能共享资源。

其他概念：

• 线程可以理解为一个独立的执行路径；
• 在程序运行的时候，即使没有自己创建线程，后台也会存在gc线程、主线程等，而main() 就是主线程，是程序的入口点；
• 一个进程里如果开辟了多个线程，线程一旦开始运行，是由调度器安排的，和操作系统紧密相关，他们的安排人为没法干预；
• 对于同一份资源操作，会涉及资源抢夺问题，需要加入并发控制；
• 线程会带来cpu调度时间、并发控制等额外的开销；
• 每个线程只在自己的工作内存交互，如果加载和存储主内存控制不当，就会造成数据不一致，也就是线程不安全。

创建线程：

在 java 中，创建线程有 3 种方式：

1. 继承Thread类（重写run方法）；
2. 实现Runnable接口（重写run方法）；
3. 实现Callable接口（重写call方法，这个是在j.u.c包下的）。

根据设计原则，不管是里氏替换原则，还是在工厂设计模式种，都提到过，尽量多用实现，少用继承，所以一般情况下尽量使用第二种方法创建线程。

一、创建方法1：继承Thread类

先直接看下面一个 demo

/*
    创建方式1：继承Thread + 重写run
    启动方式：创建子类对象 + start
*/
public class StartThread extends Thread {
    //线程入口点
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<50; i++){
            System.out.print("睡觉ing ");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创建子类对象
        StartThread startThread = new StartThread();
        //启动，主意是start
        startThread.start();
        for (int i=0; i<50; i++){
            System.out.print("吃饭ing ");
        }
    }
}

我们把上面的run方法成为线程的入口点，里面是线程执行的代码，当程序运行之后，可以发现，每次的运行结果都是不一样的。

可以看到这种随机穿插执行的结果，这是由cpu去安排时间片，调度决定的。

到这里我们总结使用第一种方法创建线程的步骤就是：

1. 创建子类对象，这个子类是继承了Thread类的；
2. 启动，调用start方法，而不是run方法，start方法是把这个线程丢给cpu的调度器，让他适时运行而不是立即运行。如果使用run方法，那么就是单纯的执行，并没有开启多线程，会先执行完上面的内容，再往下走。

二、创建方法2：实现Runnable接口

这种方法是推荐的方式，和上一种写法相比较，很简单，只需要把 extends Thread 改成 implements Runnable ，其他的地方几乎没有变化。

区别在于，调用的时候，不能直接 start()，只能借助一个 Thread 对象作为代理。

/*
    创建方式2：实现Runnable + 重写run
    启动方式：创建实现类对象 + 借助thread代理类 + start
*/
public class StartThreadwithR implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<50; i++){
            System.out.print("睡觉ing ");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        StartThreadwithR startThread = new StartThreadwithR();
        //创建代理类
        Thread t = new Thread(startThread);
        t.start();//启动
        for (int i=0; i<50; i++){
            System.out.print("吃饭ing ");
        }
    }
}

总结第二种创建线程的方法步骤是：

1. 创建实现类对象，实现类实现的是Runnable接口；
2. 创建代理类Thread；
3. 将实现类对象丢给代理类，然后用代理类start。

特殊的，如果我们的一个对象只使用一次，那就完全可以用匿名，上面的

        StartThreadwithR startThread = new StartThreadwithR();
        Thread t = new Thread(startThread);
        t.start();

可以改成：

new Thread(new StartThreadwithR()).start();

两种方法相比，因为推荐优先实现接口，而不是继承类，所以第二种方法是推荐的。

三、可能出现的问题

3.1 黄牛订票

当多个线程同时进行修改资源的时候，可能出现线程不安全的问题，最上面我们提到了，这里做一个简单模拟。

假如三个黄牛同时在抢票，服务端的票数--的过程，对于三个线程可能会出现哪些问题呢?

/*
    使用多线程修改资源带来的线程安全问题
*/
public class Tickets implements Runnable{
    private int ticketNum = 100;
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            if (ticketNum<0){
                break;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在抢票,余票" + ticketNum--);
        }
    }
    //客户端
    public static void main(String[] args) {
        Tickets tickets = new Tickets();
        //多个Thread代理
        new Thread(tickets,"黄牛1").start();
        new Thread(tickets,"黄牛2").start();
        new Thread(tickets,"黄牛3").start();
    }
}

这里面用了简单的模拟服务端和客户端行为，请求票的时候，分别对票数进行 -- 操作，执行之后我们来看：

显然出现了逻辑上的错误，因为多个线程的执行带来的问题。

从运行结果的最后两行入手，背后的原因是：

1. 黄牛 2 先进入run；
2. 可是到将票数-1之前，由于cpu的调度，黄牛 3 线程也开始执行，并且比黄牛 2 更快一步，直接进行了 -- 操作，票数变成了 0 ；
3. 此时黄牛 2 输出了结果，余票0；
4. 随后黄牛 3 线程才执行完输出语句，票数反倒是 1 ？

如果我们再模拟一个网络延迟，在 run 方法里加入：

//加入线程阻塞，模拟网络延迟
try {
    Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

多运行几遍，甚至可能票数变成负数。

显然，如果在实际开发中，票数的变化，应该是严格递减的过程，并且，余票到达 0 就应该 break，而不能还出现继续执行了--操作，从而出现这种错误（不考虑退票之类的业务）。

这就是 高并发 问题，主要就是多线程带来的安全问题。

3.2 龟兔赛跑

再来看一个例子，假如有乌龟和兔子进行赛跑，我们模拟两个线程，分别对距离++。

/*
    龟兔赛跑，借助Runnable和Thread代理
*/
public class Racer implements Runnable{
    private String winner;
    @Override
    public void run() {
        for (int dis=1; dis<=100; dis++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 跑了 " + dis);
            //每走一步，判断是否比赛结束
            if (gameOver(dis))break;
        }
    }

    public boolean gameOver(int dis){
        if (winner != null){
            return true;
        } else if (dis == 100){
            winner = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println("获胜者是 "+winner);
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Racer racer = new Racer();//1.创建实现类
        new Thread(racer,"兔子").start();//2.创建代理类并start
        new Thread(racer,"乌龟").start();
    }
}

这样运行起来，总会有一个人赢，但是赢的每次不一定是哪一个。

四、创建方法3：实现Callable

面对高并发的情况，需要用到线程池。

来看重新实现的龟兔赛跑：

/*
    创建方法3：Callable，是java.util.concurrent包里的内容
*/
public class RacerwithCal implements Callable<Integer> {
    private String winner;

    //需要实现的是call方法
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        for (int dis=1; dis<=100; dis++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 跑了 " + dis);
            //每走一步，判断是否比赛结束，并且结束可以有返回值
            if (gameOver(dis))return dis;
        }
        return null;
    }

    public boolean gameOver(int dis){
        if (winner != null){
            return true;
        } else if (dis == 100){
            winner = Thread.currentThread().getName();
            if (winner.equals("pool-1-thread-1"))System.out.println("获胜者是 乌龟");
            else System.out.println("获胜者是 兔子");
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //1.创建目标对象
        RacerwithCal race = new RacerwithCal();
        //2.创建执行服务,含有2个线程的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);
        //3.提交执行
        Future<Integer> result1 = service.submit(race);
        Future<Integer> result2 = service.submit(race);
        //4.获取结果：pool-1-thread-1也就是第一个线程是乌龟，第二个兔子
        Integer i = result1.get();
        Integer j = result2.get();
        System.out.println("比分是: "+ i + " : " + j);
        //5.关闭服务
        service.shutdownNow();
    }
}

来看执行结果：

总结一下，步骤一般分为 5 步：

1. 创建目标对象；
2. 创建执行服务；
3. 提交执行；
4. 获取结果；
5. 关闭服务。

可以看到，这种方法的特殊之处在于：

• 目标类继实现Callable接口的 call 方法，可以有返回值（前面的run是没有返回值的）；
• 不用处理异常，可以直接 throw；
• 使用的过程相比前两种方法，变得复杂。

五、静态代理模式

注意到在前面使用第二种方法创建多线程的时候，提到了 new Thread(tickets,"黄牛1").start(); 是使用了 Thread 作为代理。代理模式本身也是设计模式种的一种，分为动态代理和静态代理，代理模式在开发中记录日志等等很常用。

静态代理的代理类是直接写好的，拿过来用，动态代理则是在程序执行过程中临时创建的。

在这里简单介绍静态代理。

实现一个婚庆公司，作为你的婚礼的代理，然后进行婚礼举办。

/*
    静态代理模式demo
    1.真实角色
    2.代理角色
    3.1和2都实现同一个接口
*/
public class StaticProxy {
    public static void main(String[] args) {
        //完全类似于 new Thread(new XXX()).start();
        new WeddingCompany(new You()).wedding();
    }
}

//接口
interface Marry{
    void wedding();
}

//真实角色
class You implements Marry{
    @Override
    public void wedding() {
        System.out.println("结婚路上ing");
    }
}

//代理角色
class WeddingCompany implements Marry{
    //要代理的真实角色
    private Marry target;
    public WeddingCompany(Marry target) {
        this.target = target;
    }

    @Override
    public void wedding() {
        ready();//准备
        this.target.wedding();
        after();//善后
    }
    private void after() {
        System.out.println("结束ing");
    }
    private void ready() {
        System.out.println("布置ing");
    }
}

可以看到，最后的调用方法就相当于是写线程的时候用到的 new Thread(new XXX()).start();

小小区别就在于，我们写的线程类是实现的 run 方法，没有实现start方法，但是不重要。

重要的是，代理类 可能做了很多的事，而中间需要 真实类 实现的一个方法必须实现，其他的方法，真实类不需要关心，也就是交给代理类去办了。

六、Lambda表达式简化线程

jdk1.8 后可以使用 lambda 表达式来简化代码，一般用在 只使用一次的、简单的线程 里面。

简化的写法有很多，下面是逐渐简化的过程。

6.1 静态内部类

如果某个类只希望使用一次，可以用静态内部类来实现，调用的时候一样。

public class StartThreadLambda {
    //静态内部类
    static class Inner implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            for (int i=0; i<50; i++){
                System.out.print("睡觉ing ");
            }
        }
    }
    //静态内部类
    static class Inner2 implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            for (int i=0; i<50; i++){
                System.out.print("吃饭ing ");
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Inner()).start();
        new Thread(new Inner2()).start();
    }
}

使用静态内部类的好处是，不使用的时候这个内部类是不会编译的，这其实就是一个单例模式。

6.2 方法内部类

还可以直接写到 main 方法内部，因为main 方法就是static，只启动一次。

public class StartThreadLambda {
    public static void main(String[] args) {
        //方法内部类（局部内部类）
        class Inner implements Runnable{
                    //。。。。。。
        }
        class Inner2 implements Runnable{
                    //。。。。。。
        }
        new Thread(new Inner()).start();
        new Thread(new Inner2()).start();
    }
}

6.3 匿名内部类

更进一步，可以直接利用匿名内部类，不用声明出类的名称来。

public class StartThreadLambda {
    public static void main(String[] args) {
        //匿名内部类，必须借助接口或者父类，因为没有名字
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i=0; i<50; i++){
                    System.out.print("吃饭ing ");
                }
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i=0; i<50; i++){
                    System.out.print("睡觉ing ");
                }
            }
        }).start();
    }
}

这里面必须带上实现体了就，因为没有名字，那么就要借助父类或者接口，而父类或者接口的run方法是需要重写/实现的。

6.4 Lambda表达式

jdk 8 对匿名内部类写法再进行简化，只用关注线程体，也就是只关注 run 方法里面的内容。

public class StartThreadLambda {
    public static void main(String[] args) {
        //使用Lambda表达式
        new Thread(()-> {
            for (int i=0; i<50; i++){
                System.out.print("吃饭ing ");
            }
        }).start();

        new Thread(()->{
            for (int i=0; i<50; i++){
                System.out.print("睡觉ing ");
            }
        }).start();
    }
}

() - > 这个符号，编译器就默认你是在实现 Runnable，并且默认是在实现 run 方法。

6.5 扩展

显然，如果不是线程，是其他的我们自己写的接口+实现类，Lambda表达式也是可用的，而且可以进行参数和返回值的扩展。

public class LambdaTest {
    public static void main(String[] args) {
        //直接使用lambda表达式实现接口
        Origin o = (int a, int b)-> {
            return a+b;
        };
        System.out.println(o.sum(100,100));
    }
}

//自定义接口，相当于Runnable
interface Origin{
    int sum(int a, int b);
}

更有甚者，参数的类型也可以省略，他会自己去匹配：

//省略参数类型
Origin o1 = (a, b) -> {
    return a+b;
};

如果实现接口的方法，只有一行代码，甚至花括号也可以省略：

Origin o2 = (a, b) -> a+b;

有关返回值和参数的个数还是有一些细微差别的。

Lambda表达式也在 Sort 方法里有应用，要想对引用类型里面统一按照某个属性进行排序，需要实现Comparator接口里面的compare方法，可以使用简化写法。

• Lambda 表达式的支持，主要是为了避免匿名内部类定义过多，实质上是属于函数式编程的概念。
• 需要注意的是，Lambda表达式只支持实现一个方法。