Java多线程

一、线程的简介:

1.普通方法调用和多线程:

2.程序、进程和线程:

在操作系统中运行的程序就是进程，一个进程可以有多个线程

程序是指令和数据的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念；

进程则是执行程序的一次执行过程，它是一个动态的概念，是系统资源分配的单位；

通常在一个进程中可以包含若干个线程，当然一个进程中至少有一个线程，不然没有存在的意义，线程是CPU调度和执行的单位

很多多线程是模拟出来的，真正的多线程是指有多个CPU，即多核，如服务器。如果是模拟出来的多线程，即在一个cpu的情况下，在同一个时间点cpu只能执行一个代码，因为切换的很快所有就有同时执行的错觉

3.核心概念:

(1).线程就是独立的执行路径

(2).在程序运行时即使没有创建线程，后台也会有多个线程，例如主线程，gc线程

(3).main()称为主线程，为系统的入口，用于执行整个程序

(4).在一个进程中，如果开辟了多个线程，线程的运行由调度器安排调度，调度器是与操作系统紧密相关的，先后顺序是不能人为干预的

(5).对同一份资源操作时，会存在资源抢夺的问题，需要加入并发控制

(6).线程会带来额外的开销，如CPU调度时间，并发控制开销

(7).每个线程在自己的工作内存交互，内存控制不当会造成数据不一致

二、线程的创建

1.继承Thread类

(1).自定义线程类继承Thread类

(2).重写run()方法，编写线程执行体

(3).创建线程对象，调用start()方法启动线程

public class TestThread1 extends Thread{@Overridepublic void run(){for(int i = 0;i<20;i++){System.out.println("------")}    }public static void main(String[] args){TestThread1 testThread1 = new TestThread1();testThread1.start();for(int i = 0;i<20;i++){System.out.println("Main Thread")}    }}

线程不一定立即执行，具体的执行顺序是由CPU调度执行的

子类继承Thread类具备多线程能力，通过子类对象.start()方法启动线程，不建议使用，因为需要避免OOP的单继承局限性

2.实现Runnable接口

(1).定义MyRunnable类实现Runnable接口

(2).实现run()方法，编写线程执行体

(3).创建线程对象，调用start()方法启动线程

public class TestThread2 implements Runnable{@Overridepublic void run(){for(int i = 0;i<20;i++){System.out.println("------")}    }public static void main(String[] args){TestThread2 testThread2 = new TestThread2();Thread thread = new Thread(testThread2);thread.start();for(int i = 0;i<20;i++){System.out.println("Main Thread")}    }}

实现接口Runnable具有多线程能力，启动线程时传入目标对象并且通过Thread对象.start()方法，推荐使用，可以避免单继承的局限性，灵活方便，方便同一个对象被多个线程使用

(4).初识并发问题:

public class TestThread implements Runnable{private int ticketNums = 10;public void run(){while(true){if(ticketNums<=0){break;}try{Thread.sleep(200);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---拿到了第"+ticketNums+"-----票")}}
}
public static void main(String[] args){TestThread ticket = new TestThread();new Thread(ticket,"A").start();new Thread(ticket,"B").start();new Thread(ticket,"C").start();}

(5).龟兔赛跑:

public class Race implements Runnable{private String winner;public void run(){for(int i = 0;i<=100;i++){if(Thread.currentThread().getName().equals("兔子")){try{Thread.sleep(100);}catch(InterruptedException e){e.printStackTrace();}}boolean flag = gameOver(i);if(flag){break;}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->跑了"+j+"步");}}private boolean gameOver(int steps){if(winner!=null){return true;}if(steps==100){winner = Thread.currentThread().getName();System.out.println("Winner:"+winner);return true;}return false;}public static void main(String[] args){Race race = new Race();new Thread(race,"兔子").start();new Thread(race,"乌龟").start();  }}

3.实现Callable接口

(1).实现Callable接口，需要返回值类型

(2).重写call方法，需要抛出异常

(3).创建目标对象

TestCallable t1 = new TestCallable();

(4).创建执行服务:

ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1);

(5).提交执行:

Future<Boolean> result1 = ser.submit(t1);

(6).获取结果:

boolean r1 = result1.get();

(7).关闭服务:

ser.shutdownNow();

三、Lambda表达式:

避免匿名内部类定义过多，其实质属于函数式编程的概念，去掉了一堆没有意义的代码

(params) -> expression [表达式]

(params) -> statement [语句]

(params) ->{statement}

函数式接口:

任何接口如果只包含一个抽象方法，那么它就是一个函数式接口；对于函数式接口，可以通过lambda表达式来创建该接口的对象

interface ILike{void lambda();
}
class Like implements ILike{public void lambda(){System.out.println("abc");}}
public class TestLambda1{static class Like2 implements ILike{public void lambda(){System.out.println("bcd");}}public static void main(String[] args){ILike like = new Like();like.lambda();like = new Like2();like.lambda();class Like3 implements ILike{public void lambda(){System.out.println("abc");}}like = new Like3();like.lambda();like = new ILike(){public void lambda(){System.out.println("asd");}}like.lambda();like = ()->{System.out.println("asdf");}like.lambda();}}

总结:

lambda表达式只能在有一行代码的情况下才能简化为一行，如果有多行，那么就用代码块进行包裹。前提是接口为函数式接口。多个参数也可以去掉参数类型，要去掉就都去掉，且必须加上括号

四、线程状态:

更加具体解释:

线程对象的方法:

方法	说明
setPriority(int newPriority)	更改线程的优先级
static void sleep(long millis)	在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
void join()	等待该线程终止
static void yield()	暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程
void interrupt()	中断线程
boolean isAlive()	测试线程是否处于活动状态

停止线程:

不推荐使用JDK提供的stop()以及destroy()方法，建议使用一个标志位充当终止变量，当flag=false时则终止线程运行

public class TestStop implements Runnable{private boolean flag = true;public void run(){int i = 0;while(flag){System.out.println("Run....Thread"+i++);}}public void stop(){this.flag = false;}public static void main(String[] args){TestStop testStop = new TestStop();new Thread(testStop).start();for(int i = 0;i<1000;i++){if(i==900){testStop.stop();System.out.println("Thread Stop!");}}}
}

线程休眠:

sleep(时间)指定当前线程阻塞的毫秒数

sleep()存在异常InterruptedException

sleep时间达到后进行就进入就绪状态

sleep可以模拟网络延时，倒计时等

每一个对象都有一个锁，sleep不会释放锁

public class TestThread implements Runnable{private int ticketNums = 10;public void run(){while(true){if(ticketNums<=0){break;}try{Thread.sleep(200);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---拿到了第"+ticketNums+"-----票")}}
}
public static void main(String[] args){TestThread ticket = new TestThread();new Thread(ticket,"A").start();new Thread(ticket,"B").start();new Thread(ticket,"C").start();}

线程礼让:

礼让线程，让当前正在执行的线程暂停，但不会阻塞

将线程从运行状态转为就绪状态

让CPU重新调度线程的执行，礼让不一定成功

public class TestYield{public static void main(String[] args){MyYield myYield = new MyYield();new Thread(myYield,"a").start();new Thread(myYield,"v").start();}
}
class MyYield implements Runnable{public void run(){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"Start");Thread.yield();System.out.prihntln(Thread.currentThread().getName()+"Stop");}
}

Join:

Join合并线程，待此线程执行完毕后，再执行其他线程，其他线程阻塞

可以想像成插队

public class TestJoin{public static void main(String[] args){MyJoin myJoin = new MyJoin();Thread thread = new Thread(myJoin,"a");thread.join();for(int i = 0;i<500;i++){if(i==200){thread.join();}System.out.println("main"+i);}}
}
class MyJoin implements Runnable{public void run(){for(int i = 0;i<1000;i++){System.out.println("VIP"+i);}}
}

线程状态观测:Thread.State

//线程可以处于以下状态之一:
NEW
//尚未启动的线程处于此状态
RUNNABLE
//在Java虚拟机中执行的线程处于此状态
BLOCKED
//被阻塞等待监视器锁定的线程处于此状态
WAITING
//正在等待另一个线程执行特定动作的线程处于此状态
TIMED_WAITING
//正在等待另一个线程执行动作达到指定等待时间的线程处于此状态
TERMINATED
//已退出的线程处于此状态
//一个线程可以在给定时间点处于一个状态
//这些状态是不反应任何操作系统线程状态的虚拟机状态

监测代码:

public class TestState{public static void main(String[] args){Thread thread = new Thread()->{for(int i = 0;i<5;i++){try{Thread.sleep(1000);}catch(InterruptedException e){e.printStackTrace();}}}Thread.state state = thread.getState();thread.start();state = thread.getState();while(state!=Thread.State.TERMINATED){Thread.sleep(100);state = thread.getState();}}
}

线程优先级:

Java提供一个线程调度器来监控程序中启动后进入就绪状态的所有线程，线程调度器按照优先级决定应该调度哪个线程来执行。优先级低只是意味着调度的概率低，并不是优先级低就不会被调用了，取决于CPU的调度

线程的优先级用数字表示，取值范围1~10。优先级的设定建议在start()调度前：

Thread.MIN_PRIORITY = 1;
Thread.MAX_PRIORITY = 10;
Thread.NORM_PRIORITY = 5;
使用以下方式可以改变或获取优先级:
getPriority()/setPriority(int xxx)

public class TestPriority{public static void main(String[] args){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+Thread.currentTread().getPriority());MyPriority mp = new MyPriority();Thread t1 = new Thread(mp);Thread t2 = new Thread(mp);Thread t3 = new Thread(mp);Thread t4 = new Thread(mp);Thread t5 = new Thread(mp);Thread t6 = new Thread(mp);t1.start();t2.setPriority(1);t2.start();t4.setPriority(5);t4.start();  t5.setPriority(10);t5.start();}}
class MyPriority implements Runnable{public void run(){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+Thread.currentTread().getPriority());}}

守护线程:

线程分为用户线程和守护线程，虚拟机必须确保用户线程执行完毕，虚拟机不用等待守护线程执行完毕

public class TestDaemon{public static void main(String[] args){God god = new God();You you = new You();Thread thread  = new Thread(god);thread.setDaemon(true);thread.start();new Thread(you).start();}
}
class God implements Runnable {public void run(){while(true){System.out.println("God Bless You");}}
}
class You implements Runnable {public void run(){for(int i = 0;i<36500;i++){System.out.println("HAPPY");}System.out.println("----Good Bye!-----");}
}

线程同步:

并发:同一个对象被多个线程同时操作

处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象，这时就需要引入线程同步。线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面的线程使用完毕，下一个线程再次使用

形成条件是队列和锁

队列和锁:

由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时,也带来了访问冲突问题,为了保证数据在方法中被访问时的正确性,在访问时加入锁机制synchronized，当一个线程获得对象的排它锁，独占资源，其他线程必须等待使用后释放锁即可。但是锁机制存在以下问题:

(1).一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起;

(2).在多线程竞争下加锁和释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题;

(3).如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置，引起性能问题

public class UnsafeTickets {public static void main(String[] args) {BuyTickets buyTickets = new BuyTickets();new Thread(buyTickets,"abc").start();new Thread(buyTickets,"def").start();new Thread(buyTickets,"ghi").start();}
}
class BuyTickets implements Runnable {private int tickNum = 10;boolean flag = true;public void run(){while(flag){try {buy();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public void buy() throws InterruptedException {if(tickNum<=0){flag = false;return;}Thread.sleep(100);System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"Buy"+tickNum--);}}

同步方法:

由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问,所以我们只需要针对方法提出一套机制,这套机制就是synchronized关键字,它包括两种用法:synchronized方法和synchronized块

同步方法:public synchronized void method(int args){}

synchronized方法控制对“对象”的访问,每个对象对应一把锁,每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行，否则线程会阻塞方法一旦执行，就独占该锁，直到该方法返回才释放锁，后面被阻塞的线程才能获得这个锁，继续执行

缺陷:若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率,需要修改的内容才需要锁，锁的太多会导致资源的浪费

public class UnsafeTickets {public static void main(String[] args) {BuyTickets buyTickets = new BuyTickets();new Thread(buyTickets,"abc").start();new Thread(buyTickets,"def").start();new Thread(buyTickets,"ghi").start();}
}
class BuyTickets implements Runnable {private int tickNum = 10;boolean flag = true;public void run(){while(flag){try {buy();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public synchronized void buy() throws InterruptedException {if(tickNum<=0){flag = false;return;}Thread.sleep(100);System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"Buy"+tickNum--);}}

同步块:

synchronized(Obj){}

Obj称之为同步监视器,Obj可以是任何对象,但是推荐使用共享资源作为同步监视器；同步方法中无需指定同步监视器，因为同步方法的同步监视器就是this，就是这个对象本身，或者是class

同步监视器的执行过程:

第一个线程访问,锁定同步监视器,执行其中代码

第二个线程访问,发现同步监视器被锁定,无法访问

第一个线程访问完毕,解锁同步监视器

第二个线程访问,发现同步监视器没有锁,然后锁定并访问

public class UnsafeTickets {public static void main(String[] args) {BuyTickets buyTickets = new BuyTickets();new Thread(buyTickets,"abc").start();new Thread(buyTickets,"def").start();new Thread(buyTickets,"ghi").start();}
}
class BuyTickets implements Runnable {private int tickNum = 10;boolean flag = true;public void run(){while(flag){try {buy();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public void buy() throws InterruptedException {synchronized (this){if(tickNum<=0){flag = false;return;}Thread.sleep(100);System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"Buy"+tickNum--);}}}

CopyOnWriteArrayList:

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;/*** ClassName: TestJUC* Package: PACKAGE_NAME* Description:** @Author:JinTaiDu* @Create:2025/1/7 19:29* @Version:1.0*/
public class TestJUC {public static void main(String[] args) {CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();for (int i = 0; i < 10000; i++) {new Thread(()->{list.add(Thread.currentThread().getName());}).start();}try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(list.size());}
}

死锁:

多个线程各自占有一些共享资源，并且相互等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有两个以上的对象的锁时就有可能会发生死锁问题

产生死锁的四个必要条件:

(1).互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用

(2).请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放

(3).不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺

(4).循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系

只要想办法破其中的任意一个或多个条件就可以避免死锁发生

/*** ClassName: DeadLock* Package: PACKAGE_NAME* Description:** @Author:JinTaiDu* @Create:2025/1/7 19:34* @Version:1.0*/
public class DeadLock {public static void main(String[] args) {Makeup g1 = new Makeup(0,"abc");Makeup g2 = new Makeup(1,"def");g1.start();g2.start();}
}
class LipStick{}
class Mirror{}
class Makeup extends Thread{static LipStick lipStick = new LipStick();static Mirror mirror = new Mirror();int choice;String girlName;Makeup(int choice, String girlName){this.choice = choice;this.girlName = girlName;}public void run(){try {makeup();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}private void makeup() throws InterruptedException {if(choice == 0){synchronized(lipStick){System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");Thread.sleep(1000);synchronized(mirror){System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");}}}else{synchronized(mirror){System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");Thread.sleep(2000);synchronized(lipStick){System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");}}}}
}

Lock(锁):

从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当

java.util.concurrent.locks.Lock接囗是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象

ReentrantLock类实现了Lock ，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;/*** ClassName: TestLock* Package: PACKAGE_NAME* Description:** @Author:JinTaiDu* @Create:2025/1/7 19:53* @Version:1.0*/
public class TestLock {public static void main(String[] args) {TestLock2 testLock = new TestLock2();new Thread(testLock).start();new Thread(testLock).start();new Thread(testLock).start();}
}
class TestLock2 implements Runnable{int ticketNums = 10;private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void run(){while(true){try{lock.lock();if(ticketNums > 0){try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println(ticketNums--);}else{break;}}finally {lock.unlock();}}}
}

lock与synchronized的区别:

Lock是显式锁(手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁)synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放

Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁

使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性(提供更多的子类)

优先使用顺序:Lock >同步代码块(已经进入了方法体，分配了相应资源)>同步方法(在方法体之外)

线程协作:生产者消费者模式

应用场景:生产者和消费者问题

假设仓库中只能存放一件物品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者从仓库中产品取走消费

如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止。如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止。

这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源并且生产者和消费者之间相互依赖，互为条件:对于生产者,没有生产产品之前,要通知消费者等待,而生产了产品之后,又需要马上通知消费者消费;对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费

在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的,synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步;但是synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)

Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题:

方法名	作用
wait()	表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，会释放锁
wait(long timeout)	指定等待的毫秒数
notify()	唤醒一个处于等待状态的线程
notifyAll()	唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度

注意:均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出异常

解决方法一:管程法

生产者:负责生产数据的模块(可能是方法，对象，线程，进程);

消费者:负责处理数据的模块(可能是方法，对象，线程，进程)

缓冲区:消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个缓冲区

生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

/*** ClassName: TestPC* Package: PACKAGE_NAME* Description:** @Author:JinTaiDu* @Create:2025/1/7 20:22* @Version:1.0*/
public class TestPC {public static void main(String[] args) {SynContainer synContainer = new SynContainer();new Productor(synContainer).start();new Consumer(synContainer).start();}
}
class Productor extends Thread {SynContainer synContainer;public Productor(SynContainer synContainer) {this.synContainer = synContainer;}public void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {System.out.println("生产了第"+i+"只鸡");synContainer.push(new Chicken(i));}}
}
class Consumer extends Thread {SynContainer synContainer;public Consumer(SynContainer synContainer) {this.synContainer = synContainer;}public void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {System.out.println("消费了"+synContainer.pop().id+"只鸡");}}
}
class Chicken{int id;public Chicken(int id){this.id = id;}
}
class SynContainer {Chicken[] chickens = new Chicken[100];int count = 0;public synchronized void push(Chicken chicken){if(count == chickens.length){try{this.wait();}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}chickens[count++] = chicken;this.notifyAll();}public synchronized Chicken pop(){if(count == 0){try{this.wait();}catch(InterruptedException e){e.printStackTrace();}}count--;Chicken chicken = chickens[count];this.notifyAll();return chicken;}
}

解决方法二:信号灯法

通过标志位解决

public class TestPC2 {public static void main(String[] args) {TV tv = new TV();new Player(tv).start();new Watcher(tv).start();}}class Player extends Thread{TV tv;public Player(TV tv){this.tv = tv;}public void run(){for (int i = 0; i < 20; i++) {if(i%2==0){this.tv.play("asdqwezxc");}else{this.tv.play("asdqwezxc123");}}}
}
class Watcher extends Thread{TV tv;public Watcher(TV tv){this.tv = tv;}public void run(){for (int i = 0; i < 20; i++) {tv.watch();}}
}
class TV{String voice;boolean flag = true;public synchronized void play(String voice){if(!this.flag){try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("演员表演了"+voice);this.notifyAll();this.voice = voice;this.flag = !this.flag;}public synchronized void watch(){if(this.flag){try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("观众观看了"+voice);this.notifyAll();this.flag = !this.flag;}
}

使用线程池:

背景:经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。

思路:提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

好处:

a.提高响应速度(减少了创建新线程的时间)

b.降低资源消耗(重复利用线程池中线程，不需要每次都创建)

c.便于线程管理:

corePoolSize:核心池的大小

maximumPoolSize:最大线程数

keepAliveTime:线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

JDK 5.0提供了线程池相关API:

ExecutorService和Executors

ExecutorService:真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor

void execute(Runnable command)
执行任务/命令,没有返回值,一般用来执行Runnable
<T> Future<T> submit(Callable<T> task)
执行任务，有返回值，一般又来执行Callable
void shutdown()
关闭连接池

Executors:工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池

public class TestPool {public static void main(String[] args) {ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);service.execute(new MyThread());service.execute(new MyThread());service.execute(new MyThread());service.execute(new MyThread());service.shutdown();}
}
class MyThread implements Runnable{public void run() {for (int i = 0; i < 1; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+i);}}
}