20-多线程
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。
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
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
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(); } }