Java经典技巧之实现多线程、线程同步

推荐学习：《java视频教程》

1 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
  • 每一个进行都有它自己的内存空间和系统资源
• 进程的三个特征
  • 独立性：进程与进程之间是相互独立的，彼此有自己独立内存区域
  • 动态性：进程是运行中的程序，要动态的占用内存，CPU和网络等资源
  • 并发性：CPU会分时轮询切换依次为每个进程服务，因为切换的速度非常快，给我们的感觉像是在同时执行，这就是并发性（并发：同一时刻同时有多个在执行）

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：一个进程只有一条执行路径
  • 多线程：一个进程有多条执行路径

1.3 多线程的实现方式

1.3.1 方式1：继承Tread类

• 流程：

  • 1、定义一个MyTread类继承Tread类
  • 2、在MyTread类中重写run()方法
  • 3、创建MyTread类的对象
  • 4、启动线程：void start()

• 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，相当于普通方法的的调用
  • start()：启动线程，然后由JVM调用此线程中的run()方法

• 范例

• MyTread类：

package test;//1、定义一类MyTread继承Tread类public class MyThread extends Thread{
    2、在MyTread类中重写run()方法
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<100;i++) {
            System.out.println(i);
        }
    }}

• 测试类

package test;public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //3、创建MyTread类的对象
        MyThread my1 = new MyThread();
        MyThread my2 = new MyThread();

        //4、启动线程：void start()：启动线程，由Java虚拟机调用此线程的run()方法
        my1.start();
        my2.start();
    }}

1.3.2 方式2：实现Runnable接口

• 流程：
  • 1、定义一个MyRunnable类实现Runnable接口
  • 2、在MyRunnable类中重写run()方法
  • 3、创建MyRunnable类的对象
  • 4、创建Tread类的对象，把MyRunnable对象作为构造方法的参数
  • 5、启动线程
• 好处：
  • 避免了Java单继承的局限性
  • 适合多个相同程序的代码取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，较好地体现了面向对象的设计理论

package test;public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //3、创建MyRunnable类的对象
        MyRunnable mr = new MyRunnable();

        //4、创建Tread类的对象，把MyRunnable对象作为构造方法的参数//        Thread t1 = new Thread(mr);//        Thread t2 = new Thread(mr);
        //Thread(Runnable target,String name)
        Thread t1 = new Thread(mr,"高铁");
        Thread t2 = new Thread(mr,"飞机");

        //5、启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }}

1.3.3 方式3：实现Callable接口

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

• MyThread类

package test;public class MyThread extends Thread{
    //构造方法添加线程名称
    public MyThread(){}
    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }
    
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<100;i++) {
            //1,String getName() 	返回此线程的名称
            System.out.println(getName()+":"+i);
        }
    }}

• 测试类

package test;public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        /*        MyThread my1 = new MyThread();
        MyThread my2 = new MyThread();

        //2,void setName(Stringname) 	将此线程的名称更改为等于参数name
        my1.setName("高铁");
        my2.setName("飞机");*/
        
        //3，通过构造方法设置线程名称
        //需要自己定义的类中提供此带参构造方法，并通过super访问父类带参构造方法
        /*MyThread my1 = new MyThread("高铁");
        MyThread my2 = new MyThread("飞机"); 

        my1.start();
        my2.start();*/
        
        //4，public static Thread currentThread() 	返回对当前正在执行的线程对象的引用（可以返回main()方法中线程）
        System.out.println(Tread.currentThread().getName()); //main
    }}

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，因为谁抢到CPU的使用权是不一定的

• Thread类中设置和获取线程优先级的方法

• 线程默认优先级是5；线程优先级范围是：1-10
• 线程优先级高仅仅表示线程获取的CPU时间的几率高，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

package test;public class Demo {
    public static void main(String[] args) {

        ThreadPriority tp1 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp2 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp3 = new ThreadPriority();


        tp1.setName("高铁");
        tp2.setName("飞机");
        tp3.setName("汽车");

        //1,public final int getPriority() [pra????r?ti] 	返回此线程的优先级//        System.out.println(tp1.getPriority()); //5//        System.out.println(tp2.getPriority()); //5//        System.out.println(tp3.getPriority()); //5

        //2,public final void setPriority(int newPriority) 	更改此线程的优先级
        System.out.println(Thread.MAX_PRIORITY); //10
        System.out.println(Thread.MIN_PRIORITY); //1
        System.out.println(Thread.NORM_PRIORITY); //5

        //设置正确优先级
        tp1.setPriority(5);
        tp2.setPriority(10);
        tp3.setPriority(1);

        tp1.start();
        tp2.start();
        tp3.start();
    }}

1.6 线程控制

案例：sleep()方法

• 线程类

package test;public class ThreadSleep extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<10;i++) {
            System.out.println(getName()+":"+i);
            //1,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
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }}

• 测试类

package test;public class Demo {
    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();//        曹操:0//        孙权:0//        刘备:0//        孙权:1//        曹操:1//        刘备:1//        ...
    }}

案例：join()方法

package test;public class Demo {
    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();
        //2,void join() 	等待这个线程死亡
        try {
            tj1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        tj2.start();
        tj3.start();//        康熙:0//        康熙:1//        康熙:2//        四阿哥:0//        四阿哥:1//        八阿哥:0//        八阿哥:1//        八阿哥:2//        四阿哥:2//        ...
    }}

案例：setDaemon()方法

package test;public class Demo {
    public static void main(String[] args) {

        ThreadJoin tj1 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj2 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj3 = new ThreadJoin();

        tj2.setName("关羽");
        tj3.setName("张飞");
        //设置主线程为刘备
        Thread.currentThread().setName("刘备");

        //3,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，Java虚拟机将退出
        tj1.setDaemon(true);
        tj2.setDaemon(true);

        tj1.start();
        tj2.start();

        for(int i=0;i<2;i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
        }
        //刘备执行完后，关羽和张飞会很快结束
    }}

1.7 线程生命周期

1.8 数据安全问题之案例：买票

• 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
  • 是否有共享数据
  • 是否有多条语句操作共享数据

• 如何解决多线程安全问题呢?

• 基本思想：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，让任意时刻只能有一一个线程执行即可
  • Java提供 了同步代码块的方式来解决

1.9 线程同步_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}

• 好处：让多个线程实现先后依次访问共享资源，解决了多线程的数据安全问题

• 弊端：当线程很多的时候，因为每个线程都会去判断同步上的锁，这是很消耗资源的，无形中降低程序的运行效率

• sellTicket类

package test;//1,定义一个类SellTicket实现Runnable接口，里面定义一个成员变量: private int tickets= 100;public class SellTicket implements Runnable{
    private int tickets = 100;
    private Object obj = new Object();

    //2,在ellTicket类中重写run0方法实现卖票， 代码步骤如下
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            //tickes=100
            //t1,t2,t3
            //假设t1抢到CPU执行器
            synchronized (obj){
                //t1进来后把代码锁起来了
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                        //t1休息100毫秒
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //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");
                    tickets--; //tickets=99
                }
                //t1出来了，锁就被释放了
            }
        }
    }}

• 测试类

package test;public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建SellTicket类的对象
        SellTicket st = new SellTicket();

        //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称
        Thread t1 = new Thread(st,"窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st,"窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st,"窗口3");

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }}

1.10 线程同步_同步方法

• 作用：把出现线程安全问题的核心方法给锁起来，每次只能一个线程进入访问，其他线程必须在方法外面等待
• 同步方法：就是把synchronized关键字加到方法上；锁对象为：this
  • 格式：修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) {}
• 同步静态方法：就是把synchronized关键字加到静态方法上面；锁对象为：类名.class
  • 格式：修饰符 static synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) {}

package test;public class SellTicket implements Runnable{//1非静态    private int tickets = 100;
    private static int tickets = 100;
    private Object obj = new Object();
    private int x = 0;

    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            if(x%2==0) {//1非静态                synchronized (this) {
                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--; //tickets=99
                    }
                }
            } else {//                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--; //tickets=99//                    }//                }
                sellTicket();
            }
            x++;
        }
    }//1非静态//    private 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--; //tickets=99//        }//    }

    private 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--; //tickets=99
        }
    }}

1.11 线程安全的类（了解）

源码中方法都被synchronized修饰

StringBuffer

• 线程安全， 可变的字符序列
• 从版本JDK 5开始，被StringBuilder替代。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Java 2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对象都可以用作键或者值
• 从Java 2平台v1.2开始，该类进行了改进，实现了Map接口,使其成为Java Collections Framework的成员。与新的集合实现不同，Hashtable被同步。 如果不需要线程安全的实现，建议使用HashMap代替Hashtable

Collections类中static <T> List<T> snchronizedList(List<T> list)：返回由指定列表支持的同步（线程安全）的列表

package test;import java.util.ArrayList;import java.util.Collection;import java.util.Collections;public class Demo {
    public static void main(String[] args)  {
        //static <T> List<T> snchronizedList(List<T> list)：返回由指定列表支持的同步（线程安全）的列表
        Collection<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());

        /*源码都是返回Synchronized
        public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
            return (list instanceof RandomAccess ?
                    new Collections.SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
                    new Collections.SynchronizedList<>(list));
        }*/

    }}

1.12 Lock锁

• Lock是接口不能直接实例化，采用实现类ReentrantLock来实例化（JDK5以后）
• ReentrantLock构造方法：

• Lock中获得锁和释放锁方法：

• 推荐使用try{} finall{}代码块来加锁和释放锁

package test;import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class SellTicket implements Runnable{
    private static int tickets = 100;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            try {
                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 {
                lock.unlock();
            }
        }
    }}

1.13 线程通讯

• 线程通信一定是多个线程在操作同一个资源才需要通信

1.14 生产者消费者

1.14.1 生产者消费者概述

• 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

1.14.2 生产者消费者案例

• 奶箱类

package test;//1：定义奶箱类public class Box {
    //定义一个成员变量，表示第x瓶奶
    private int milk;
    //定义一个成员变量表示奶箱的状态
    private boolean state = false;

    //提供存储牛奶和获取牛奶的操作
    public  synchronized void put(int milk) {
        //如果有牛奶等待消费
        if(state) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果没有牛奶，就生产牛奶
        this.milk = milk;
        System.out.println("送奶工将第" + this.milk + "瓶奶放入奶箱");

        //生产完毕后，修改奶箱状态
        state = true;

        //唤醒其他等待线程
        notifyAll();
    }

    public  synchronized void get() {
        //如果没有牛奶，就等到生产
        if(!state) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //如果有牛奶，就消费牛奶
        System.out.println("用户拿到第" + this.milk + "瓶奶");

        //消费完毕后,修改奶箱状态
        state = false;

        //唤醒其他等待线程
        notifyAll();
    }}

• 生产者类

package test;//2:生产者类(Producer):实现Runnable接口public class Producer implements Runnable {
    private Box b;

    public Producer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    //重写run()方法，调用存储牛奶的操作
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            b.put(i);
        }
    }}

• 消费者类

package test;//3:消费者类(Customer);实现Runnable接口public class Customer implements Runnable{
    private Box b;

    public Customer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    //重写run()方法，调用获取牛奶的操作
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            b.get();
        }
    }}

• 测试类

package test;public class BoxDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建奶箱对象，这是共享数据区域
        Box b = new Box();

        //创建生产者对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递。因为在这个类中要谓用存储牛奶的操作
        Producer p = new Producer(b);

        //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
        Customer c  =new Customer(b);

        //创建2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
        Thread t1 = new Thread(p);
        Thread t2 = new Thread(c);

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();//        送奶工将第1瓶奶放入奶箱//                用户拿到第1瓶奶//        送奶工将第2瓶奶放入奶箱//                用户拿到第2瓶奶//        送奶工将第3瓶奶放入奶箱//                用户拿到第3瓶奶//        送奶工将第4瓶奶放入奶箱//                用户拿到第4瓶奶//        送奶工将第5瓶奶放入奶箱//                用户拿到第5瓶奶
    }}

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