Java学习day19-多线程

Java学习day19-多线程

陳先森 86 2021-10-25

1.实现多线程

1.1进程和线程【理解】

  • 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

  • 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

1.2实现多线程方式一:继承Thread类【应用】

  • 方法介绍

    方法名 说明
    void run() 在线程开启后,此方法将被调用执行
    void start() 使此线程开始执行,Java虚拟机会调用run方法()
  • 实现步骤

    • 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
  • 代码演示

    public class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for(int i=0; i<100; i++) {
                System.out.println(i);
            }
        }
    }
    public class MyThreadDemo {
        public static void main(String[] args) {
            MyThread my1 = new MyThread();
            MyThread my2 = new MyThread();
    
    //        my1.run();
    //        my2.run();
    
            //void start() 导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法
            my1.start();
            my2.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

1.3设置和获取线程名称【应用】

  • 方法介绍

    方法名 说明
    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
    Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用
  • 代码演示

    public class MyThread extends Thread {
        public MyThread() {}
        public MyThread(String name) {
            super(name);
        }
    
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                System.out.println(getName()+":"+i);
            }
        }
    }
    public class MyThreadDemo {
        public static void main(String[] args) {
            MyThread my1 = new MyThread();
            MyThread my2 = new MyThread();
    
            //void setName(String name):将此线程的名称更改为等于参数 name
            my1.setName("高铁");
            my2.setName("飞机");
    
            //Thread(String name)
            MyThread my1 = new MyThread("高铁");
            MyThread my2 = new MyThread("飞机");
    
            my1.start();
            my2.start();
    
            //static Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }
    

1.4线程优先级【应用】

  • 线程调度

    • 两种调度方式

      • 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

    • 随机性

      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,因为谁抢到CPU的使用权是不一定的

  • 优先级相关方法

    方法名 说明
    final int getPriority() 返回此线程的优先级
    final void setPriority(int newPriority) 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
  • 代码演示

    public class ThreadPriority extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                System.out.println(getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
    public class ThreadPriorityDemo {
        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");
    
            //public final int getPriority():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
    
            //public final void setPriority(int newPriority):更改此线程的优先级
    //        tp1.setPriority(10000); //IllegalArgumentException
            System.out.println(Thread.MAX_PRIORITY); //10
            System.out.println(Thread.MIN_PRIORITY); //1
            System.out.println(Thread.NORM_PRIORITY); //5
    
            //设置正确的优先级
            tp1.setPriority(5);
            tp2.setPriority(10);
            tp3.setPriority(1);
    
            tp1.start();
            tp2.start();
            tp3.start();
        }
    }
    

1.5线程控制【应用】

  • 相关方法

    方法名 说明
    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
    void join() 等待这个线程死亡
    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
  • 代码演示

    sleep演示:
    public class ThreadSleep extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                System.out.println(getName() + ":" + i);
                try {
                    Thread.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();
        }
    }
    
    Join演示:
    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();
        }
    }
    
    Daemon演示:
    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");
    
            //设置主线程为刘备
            Thread.currentThread().setName("刘备");
    
            //设置守护线程
            td1.setDaemon(true);
            td2.setDaemon(true);
    
            td1.start();
            td2.start();
    
            for(int i=0; i<10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
            }
        }
    }
    

1.6线程的生命周期【理解】

​ 线程一共有五种状态,线程在各种状态之间转换。
线程生命周期

1.7实现多线程方式二:实现Runnable接口【应用】

  • Thread构造方法

    方法名 说明
    Thread(Runnable target) 分配一个新的Thread对象
    Thread(Runnable target, String name) 分配一个新的Thread对象
  • 实现步骤

    • 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
  • 代码演示

    public class MyRunnable implements Runnable {
        @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) {
            //创建MyRunnable类的对象
            MyRunnable my = new MyRunnable();
    
            //创建Thread类的对象,把MyRunnable对象作为构造方法的参数
            //Thread(Runnable target)
    //        Thread t1 = new Thread(my);
    //        Thread t2 = new Thread(my);
            //Thread(Runnable target, String name)
            Thread t1 = new Thread(my,"高铁");
            Thread t2 = new Thread(my,"飞机");
    
            //启动线程
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }
    
  • 多线程的实现方案有两种

    • 继承Thread类
    • 实现Runnable接口
  • 相比继承Thread类,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

2.线程同步

2.1卖票【应用】

  • 案例需求

    某电影院目前正在上映国产大片,共有100张票,而它有3个窗口卖票,请设计一个程序模拟该电影院卖票

  • 实现步骤

    • 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;

    • 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1

    • 票没有了,也可能有人来问,所以这里用死循环让卖票的动作一直执行

    • 定义一个测试类SellTicketDemo,里面有main方法,代码步骤如下

    • 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称

    • 启动线程

  • 代码实现

    public class SellTicket implements Runnable {
        private int tickets = 100;
        //在SellTicket类中重写run()方法实现卖票,代码步骤如下
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                if (tickets > 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                    tickets--;
                }
            }
        }
    }
    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();
        }
    }
    
  • 执行结果
    卖票1(1)

2.2卖票案例的问题【理解】

  • 卖票出现了问题

    • 相同的票出现了多次

    • 出现了负数的票

  • 问题产生原因

    线程执行的随机性导致的

    public class SellTicket implements Runnable {
        private int tickets = 100;
    
        @Override
        public void run() {
            //相同的票出现了多次
    //        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,执行到这里的时候,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,执行到这里的时候,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--的操作,最终票就变成了97
    //            }
    //        }
    
            //出现了负数的票
            while (true) {
                //tickets = 1;
                //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,执行到这里的时候,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,执行到这里的时候,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tickets--;操作,tickets = 0;
                    //t2抢到了CPU的执行权,在控制台输出:窗口1正在出售第0张票
                    //假设t2继续拥有CPU的执行权,就会执行tickets--;操作,tickets = -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t2继续拥有CPU的执行权,就会执行tickets--;操作,tickets = -2;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                    tickets--;
                }
            }
        }
    }
    

2.3同步代码块解决数据安全问题【应用】

  • 安全问题出现的条件

    • 是多线程环境

    • 有共享数据

    • 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个线程执行即可

    • Java提供了同步代码块的方式来解决

  • 同步代码块格式:

    synchronized(任意对象) { 
    	多条语句操作共享数据的代码 
    }
    

    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

  • 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,这是很耗费资源的,无形中会降低程序的运行效率

  • 代码演示

    public class SellTicket implements Runnable {
        private int tickets = 100;
        private Object obj = new Object();
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                //tickets = 100;
                //t1,t2,t3
                //假设t1抢到了CPU的执行权
                //假设t2抢到了CPU的执行权
                synchronized (obj) {
                    //t1进来后,就会把这段代码给锁起来
                    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,这段代码的锁就被释放了
            }
        }
    }
    
    public class SellTicketDemo {
        public static void main(String[] args) {
            SellTicket st = new SellTicket();
    
            Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
            Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
            Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");
    
            t1.start();
            t2.start();
            t3.start();
        }
    }
    

2.4同步方法解决数据安全问题【应用】

  • 同步方法的格式

    同步方法:就是把synchronized关键字加到方法上

    修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) { 
    	方法体;
    }
    

    同步方法的锁对象是什么呢?

    ​ this

  • 静态同步方法

    同步静态方法:就是把synchronized关键字加到静态方法上

    修饰符 static synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) { 
    	方法体;
    }
    

    同步静态方法的锁对象是什么呢?

    ​ 类名.class

  • 代码演示

    public class SellTicket implements Runnable {
        private static int tickets = 100;
        private int x = 0;
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
    			sellTicket();
        	}
        }
    //    同步方法
    //    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--;
    //        }
    //    }
        
    //  静态同步方法
        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--;
            }
        }
    }
    
    public class SellTicketDemo {
        public static void main(String[] args) {
            SellTicket st = new SellTicket();
    
            Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
            Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
            Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");
    
            t1.start();
            t2.start();
            t3.start();
        }
    }
    

2.5线程安全的类【理解】

  • 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

2.6Lock锁【应用】

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构造方法

    方法名 说明
    ReentrantLock() 创建一个ReentrantLock的实例
  • 加锁解锁方法

    方法名 说明
    void lock() 获得锁
    void unlock() 释放锁
  • 代码演示

    public class SellTicket implements Runnable {
        private 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();
                }
            }
        }
    }
    public class SellTicketDemo {
        public static void main(String[] args) {
            SellTicket st = new SellTicket();
    
            Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
            Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
            Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");
    
            t1.start();
            t2.start();
            t3.start();
        }
    }
    

3.生产者消费者

3.1生产者和消费者模式概述【应用】

  • 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
    生产消费

  • Object类的等待和唤醒方法

    方法名 说明
    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生产者和消费者案例【应用】

  • 案例需求

    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

    ①创建奶箱对象,这是共享数据区域

    ②创建消费者创建生产者对象,把奶箱对象作为构造方法参数传递,因为在这个类中要调用存储牛奶的操作

    ③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

    ④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

    ⑤启动线程

  • 代码实现

    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");
    
            //生产完毕之后,修改奶箱状态
            state = true;
    
            //唤醒其他等待的线程
            notifyAll();
        }
    
        public synchronized void get() {
            //如果没有牛奶,等待生产
            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");
    
            //消费完毕之后,修改奶箱状态
            state = false;
    
            //唤醒其他等待的线程
            notifyAll();
        }
    }
    
    public class Producer implements Runnable {
        private Box b;
    
        public Producer(Box b) {
            this.b = b;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            for(int i=1; i<=30; i++) {
                b.put(i);
            }
        }
    }
    
    public class Customer implements Runnable {
        private Box b;
    
        public Customer(Box b) {
            this.b = b;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                b.get();
            }
        }
    }
    
    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,因为在这个类中要调用存储牛奶的操作
            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();
        }
    }