多线程经典代码案例及手动实现

一.线程和多线程

二. 多线程的经典的代码案例

1.单例模式

2.阻塞队列

(1)概念介绍

(2)生产者消费者模型

(3)手动实现阻塞队列

(4)代码解释及问题分析

3.定时器

(1)概念介绍

(2)思路分析

(3)手动实现定时器

(4)代码解释及问题分析

问题一:优先级

问题二 :忙等

问题三 :加锁

4.线程池

(1)概念介绍

(2)具体分析

(3)手动实现线程池

(4)代码解释及问题分析

问题一:变量捕获

问题二:线程数量

三. 总结——保证线程安全的思路

一.线程和多线程

我们都知道,线程有很多优点

线程的优点

1. 创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多

2. 与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多

3. 线程占用的资源要比进程少很多

4. 能充分利用多处理器的可并行数量

5. 在等待慢速 I/O 操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务

6. 计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现

7. I/O 密集型应用，为了提高性能，将 I/O 操作重叠。线程可以同时等待不同的 I/O 操作。

因此我们在实际开发中,经常采用多线程编程.

而多线程有几个经典的代码案例

单例模式
阻塞队列
定时器
线程池

记下来我们就进行具体分析.

二. 多线程的经典的代码案例

1.单例模式

单例模式在我的另一篇博文中已经进行了介绍

工厂模式和单例模式

2.阻塞队列

(1)概念介绍

阻塞队列是一种特殊的队列 . 也遵守 " 先进先出 " 的原则 .

阻塞队列能是一种线程安全的数据结构 , 并且具有以下特性 :

当队列满的时候, 继续入队列就会阻塞 , 直到有其他线程从队列中取走元素 .

当队列空的时候 , 继续出队列也会阻塞 , 直到有其他线程往队列中插入元素 .

阻塞队列的一个典型应用场景就是 " 生产者消费者模型 ". 这是一种非常典型的开发模型 .

(2)生产者消费者模型

生产者消费者模式就是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。

生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而通过阻塞队列来进行通讯，所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队列里取.

阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力.
阻塞队列也能使生产者和消费者之间解耦.

在 Java 标准库中内置了阻塞队列 . 如果我们需要在一些程序中使用阻塞队列 , 直接使用标准库中的即可 .

BlockingQueue 是一个接口 . 用它来使用阻塞队列

put 方法用于阻塞式的入队列, take 用于阻塞式的出队列

我们来看一个代码例子:

import java.util.concurrent.BlockingDeque;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;public class ThreadDemo19 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {BlockingDeque<String>quene=new LinkedBlockingDeque<>();//阻塞队列的核心方法,主要有两个//1.put 入队列quene.put("hello1");quene.put("hello2");quene.put("hello3");quene.put("hello4");quene.put("hello5");//2.take 出队列String result=null;result=quene.take();System.out.println(result);result=quene.take();System.out.println(result);result=quene.take();System.out.println(result);result=quene.take();System.out.println(result);result=quene.take();System.out.println(result);result=quene.take();System.out.println(result);}
}

运行结果如下:

而基于阻塞队列实现的"生产者消费者模型"代码如下:

import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;//基于阻塞队列写生产者-消费者模型
public class ThreadDemo20 {public static void main(String[] args) {BlockingQueue<Integer> blockingQueue=new LinkedBlockingQueue<>();//生产者Thread t1=new Thread(()->{while (true){try {int value=blockingQueue.take();System.out.println("消费元素:"+value);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}});t1.start();//消费者Thread t2=new Thread(()->{int value=0;while (true){try {blockingQueue.put(value);value++;Thread.sleep(1000);System.out.println("消费元素:"+value);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}});t2.start();}
}

运行结果如下:

(3)手动实现阻塞队列

接下来,我们来学习如何自己手动实现阻塞队列

class MyBlockingQueue{private int[] item =new int[1000];//约定[head,tail)队列的有效元素volatile private int head=0;volatile private int tail=0;volatile private int size=0;//入队列synchronized public void put(int elem) throws InterruptedException {while(size== item.length){//队列满了,插入失败//return;this.wait();}//把新元素放在tail所在的位置上item[tail]=elem;tail++;//万一tail达到末尾,就需要让tail从头再来if(tail==item.length){tail=0;}//tail=tail%item.length //可以但不推荐size++;this.notify();}//出队列synchronized public Integer take() throws InterruptedException {while(size==0){//return null;this.wait();}int value=item[head];head++;if(head==item.length){head=0;}size--;this.notify();return value;}}

通过 "循环队列" 的方式来实现.
使用 synchronized 进行加锁控制.
put 插入元素的时候, 判定如果队列满了, 就进行 wait. (注意, 要在循环中进行 wait. 被唤醒时不一
定队列就不满了, 因为同时可能是唤醒了多个线程).
take 取出元素的时候, 判定如果队列为空, 就进行 wait. (也是循环 wait)

(4)代码解释及问题分析

这里大家可能会有疑问,为什么在进行队列判定的时候,我们使用的是while,用if来判定不可以吗?

接下来,我们就来做出解释:

但是Java官方并不建议这么使用wait,我们点进wait的源码来看看

而我们写的代码很有可能在别的部分中暗中 interrupt，把 wait 给提前唤醒了,明明条件还没满足(队列非空)，但是 wait 唤醒之后就继续往下走了.

当然，我们当前的这个简单的实例代码中,没有 interrupt,但是一个更复杂的项目,就不能保证没有了.

更稳妥的做法是在 wait 晚醒之后，再判定一次条件.

wait 之前，发现条件不满足,开始 wait,然后等到 wait 被唤醒了之后,再确认一下条件是不是满足.如果不满足,还可以继续 wait .

这个时候,我们就可以将判定条件改成while来进行判定,就可以使代码更完善了.

3.定时器

(1)概念介绍

定时器也是软件开发中的一个重要组件 . 类似于一个 " 闹钟 ". 达到一个设定的时间之后 , 就执行某个

指定好的代码.

定时器是一种实际开发中非常常用的组件 .

比如网络通信中 , 如果对方 500ms 内没有返回数据 , 则断开连接尝试重连 .

比如一个 Map, 希望里面的某个 key 在 3s 之后过期 ( 自动删除 ).

类似于这样的场景就需要用到定时器 .

标准库中提供了一个 Timer 类. Timer 类的核心方法为 schedule .
schedule 包含两个参数. 第一个参数指定即将要执行的任务代码, 第二个参数指定多长时间之后执行 (单位为毫秒).

//定时器
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;public class ThreadDemo22 {public static void main(String[] args) {Timer timer=new Timer();timer.schedule(new TimerTask(){@Overridepublic void run() {System.out.println("hello2");}},2000);System.out.println("hello1");}
}

这里的TimerTask()本质上就是Runnable()
而打印hello2的执行是靠Timer内部的线程在时间到了之后执行的.即2秒之后执行run方法

既然定时器的应用这么多,那我们该如何自己实现一个定时器呢?

(2)思路分析

首先,我们来进行分析

定时器,内部管理的不仅仅是一个任务,它可以管理很多任务.

所以我们的核心数据结构就是使用堆.

而且,虽然任务可能有很多，他们的触发的时闻是不同的,只需要有一个/一组工作线程，每次都找到这些任务中最先到达时间的任务.一个线程先执行最早的任务，做完了之后再执行第二早的... 时间到了就执行，没到就等待.

正因如此,我们就要使用带优先级的阻塞队列PriorityQueue来实现.

同时,定时器里可能会有多个线程在执行shedule方法,因此我们也希望在多线程下操作优先级队列也能保证线程安全.

(3)手动实现定时器

代码如下:

/**
* 定时器的构成:
* 一个带优先级的阻塞队列
* 队列中的每个元素是一个 Task 对象.
* Task 中带有一个时间属性, 队首元素就是即将
* 同时有一个 t 线程一直扫描队首元素, 看队首元素是否需要执行
*/import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;class MyTask implements Comparable<MyTask>{public Runnable runnable;public long time;public MyTask(Runnable runnable,long delay){this.runnable=runnable;//取当前时刻的时间戳+delay作为该任务实际执行的时间戳this.time=System.currentTimeMillis()+delay;//这里的currentTimeMillis是ms级别的时间戳,是当前时刻和基准时刻的ms数之差}@Overridepublic int compareTo(MyTask o) {return (int)(this.time-o.time);}}class MyTimer{//这个结构,带有优先级的阻塞队列,核心数据结构private PriorityBlockingQueue<MyTask> quene=new PriorityBlockingQueue<>();//手动封装//创建个例,表示两方面信息//1.执行的任务是什么//2.任务什么时候开始执行private Object Locker=new Object();//schedule 包含两个参数. 第一个参数指定即将要执行的任务代码, 第二个参数指定多长时间之后
执行 (单位为毫秒).public  void schedule(Runnable runnable,long delay){//根据参数,构造MyTask,插入队列即可MyTask myTask=new MyTask(runnable,delay);quene.put(myTask);synchronized (Locker){Locker.notify();}}//构造线程,负责执行具体任务public MyTimer() {Thread t=new Thread(()->{while(true){// synchronized (Locker){try {//阻塞队列,只有阻塞的入队列和阻塞的出队列,没有阻塞的查看队首元素MyTask myTask=quene.take();long CurTime=System.currentTimeMillis();if(myTask.time<=CurTime){//时间到了,可以执行任务了myTask.runnable.run();}else {//时间还没到//把刚才取出的任务,重新塞回队列中quene.put(myTask);synchronized (Locker){Locker.wait(myTask.time-CurTime);}}} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}// }});t.start();}}public class ThreadDemo23 {public static void main(String[] args) {// System.out.println(System.currentTimeMillis());MyTimer myTimer=new MyTimer();myTimer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello4");}},4000);myTimer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello3");}},3000);myTimer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello2");}},2000);myTimer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello1");}},1000);System.out.println("hello0");}
}

Timer 类提供的核心接口为 schedule, 用于注册一个任务, 并指定这个任务多长时间后执行.
Task 类用于描述一个任务(作为 Timer 的内部类). 里面包含一个 Runnable 对象和一个 time(毫秒时间戳)

这个对象需要放到优先队列中 . 因此需要实现 Comparable 接口 .

Timer 实例中, 通过 PriorityBlockingQueue 来组织若干个 Task 对象.

通过 schedule 来往队列中插入一个个 Task 对象.

Timer 类中存在一个 t 线程, 一直不停的扫描队首元素, 看看是否能执行这个任务.

(4)代码解释及问题分析

而这段代码里,有几个值得我们思索的问题:

问题一:优先级

1.当前队列里的 MyTask 元素是按照什么规则来表示优先级的?

按照我们的分析

因为阻塞队列中的任务都有各自的执行时刻 (delay). 最先执行的任务一定是 delay 最小的.

因此我们比较时间来进行排序

static class Task implements Comparable<Task> {private Runnable command;private long time;public Task(Runnable command, long time) {this.command = command;// time 中存的是绝对时间, 超过这个时间的任务就应该被执行this.time = System.currentTimeMillis() + time;}public void run() {command.run();}@Overridepublic int compareTo(Task o) {// 谁的时间小谁排前面return (int)(time - o.time);}}
}

问题二 :忙等

2.当前这个代码中存在一个严重的问题, 就是 while (true) 转的太快了, 造成了无意义的 CPU 浪费. 也就是忙等.

比如第一个任务设定的是 1 min 之后执行某个逻辑 . 但是这里的 while (true) 会导致每秒钟访问队首元素几万次. 而当前距离任务执行的时间还有很久呢 .

那么该如何解决呢?

我们需要引入一个新的对象 , 借助该对象的 wait / notify 来解决 while (true) 的忙等问题 .

class Timer {// 存在的意义是避免 t 线程出现忙等的情况private Object Locker = new Object(); 
}

(1)修改 t 的 run 方法, 引入 wait, 等待一定的时间.

public void run() {while (true) {try {Task task = queue.take();long curTime = System.currentTimeMillis();if (task.time > curTime) {// 时间还没到, 就把任务再塞回去queue.put(task);// [引入 wait] 等待时间按照队首元素的时间来设定. synchronized (Locker) {// 指定等待时间 waitLocker.wait(task.time - curTime);}} else {// 时间到了, 可以执行任务task.run();}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();break;}}
}

(2)修改 Timer 的 schedule 方法, 每次有新任务到来的时候唤醒一下 t 线程. (因为新插入的任务可能是需要马上执行的).

public  void schedule(Runnable runnable,long delay){MyTask myTask=new MyTask(runnable,delay);quene.put(myTask);// [引入 notify] 每次有新的任务来了, 都唤醒一下 t 线程, 检测下当前是否有新任务synchronized (Locker){Locker.notify();}}

这里使用wait来等待而不是sleep,因为wait方便随时提前唤醒.

wait的参数是"超时时间",时间达到一定数值之后,还没有被notify就不再等待,如果时间还没到就被notify,就立即返回.

问题三 :加锁

3.synchronized()的使用范围.

这里为什么将加锁位置改到了这里而不是全部加锁?

我们知道,加锁后可以使某部分代码变成具有原子性的代码.这里假如我们为全部这部分代码加锁,假如在中间插入一个新的线程,那么有没有可能发生特殊情况呢?

当然是有的.

这是一种矛盾的状态,因此是有bug的,所以我们把代码进行了修改.我们把锁加在wait外面.

此时它的take和wait操作就都是原子的了.我们再进行分析.

因此,把锁加在wait外面才是更安全的.

4.线程池

(1)概念介绍

想象这么一个场景：

在学校附近新开了一家快递店，老板很精明，想到一个与众不同的办法来经营。店里没有雇人，而是每次有业务来了，就现场找一名同学过来把快递送了，然后解雇同学。

这个类比我们平时来一个任务，起一个线程进行处理的模式。

很快老板发现问题来了，每次招聘 + 解雇同学的成本还是非常高的。老板还是很善于变通的，知道了为什么大家都要雇人了，所以指定了一个指标，公司业务人员会扩张到 3 个人，但还是随着业务逐步雇人。于是再有业务来了，老板就看，如果现在公司还没 3 个人，就雇一个人去送快递，否则只是把业务放到一个本本上，等着 3 个快递人员空闲的时候去处理。这个就是我们要带出的线程池的模式。

线程池最大的好处就是减少每次启动、销毁线程的损耗.

因为从线程池取线程,是纯用户态操作,不涉及到和内核的交互.

标准库中的线程池

使用 Executors.newFixedThreadPool(10) 能创建出固定包含 10 个线程的线程池.
返回值类型为 ExecutorService
通过 ExecutorService.submit 可以注册一个任务到线程池中.

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class ThreadDemo24 {public static void main(String[] args) {//线程池ExecutorService pool= Executors.newFixedThreadPool(10);pool.submit(new Runnable(){@Overridepublic void run() {System.out.println("hello");}});}
}

(2)具体分析

我们来分析给出的文档:

同样,标准库里也提供了四种拒绝策略

(3)手动实现线程池

接下来,我们就来尝试自己手动实现线程池.

代码如下:

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;class MyThreadPool{//产生一个阻塞队列private BlockingQueue<Runnable> queue=new LinkedBlockingQueue<>();//submit相当于一个生产者,往阻塞队列里面添加任务public void submit(Runnable runnable) throws InterruptedException {queue.put(runnable);}//相当于消费者,不断地取任务,然后进行执行public  MyThreadPool(int n){for(int i=0;i<n;i++){Thread t=new Thread(()->{try {while (true){//此处需要让线程内部有个while循环,不断地取任务Runnable runnable= queue.take();runnable.run();}} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}});t.start();}}
}
public class ThreadDemo25 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyThreadPool pool=new MyThreadPool(10);//创建出10个线程//每次循环都是创建一个新number,没有人修改该numberfor (int i = 0; i < 1000; i++) {int number=i;//直接用i不行,用number是因为匿名内部类需要捕获外部的变量,这里要求变量是final的,而此处的i是不断地被修改的// 因此我们需要创建另一个变量,把它变成事实final,就可以被捕获了pool.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("HELLO"+number);}});}}
}

运行代码如下: