Java_多线程

Java
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概述

  1. 什么是线程？
    • 线程（Thread）是一个程序内的一条执行流程
    • 程序中如果只有一条执行流程，那这个程序就是单线程的程序
  2. 多线程是什么？
    • 多线程是指从软硬件上实现的多条执行流程的技术（多条线程由CPU负责调度执行）
  3. 如何在程序中创建多条线程？
    • Java是通过java.lang.Thread类的对象来代表线程的
  4. 多线程的注意事项：
    • 启动线程必须是调用start()方法，不是调用run()方法
    • 不要把主线程任务放在启动子线程之前

多线程的创建

方式一：继承Thread类

  1. 创建流程：
    • 定义一个子类MyThread继承线程类java.lang.Thread，重写run()方法
    • 在主方法中创建MyThread类的对象
    • 调用线程对象的start()方法启动（启动后还是执行run方法）
  2. 方式一优缺点：
    • 优点：代码简单
    • 缺点：线程已经继承Thread，无法继承其他类，不利于功能的扩展

方式二：实现Runnable接口

  1. 创建流程：

    • 定义一个线程任务类MyRunnable实现Runnable接口，重写run()方法

    • 在主方法中创建MyRunnable任务对象

    • 把MyRunnable任务对象交给Thread处理

      Thread类提供的构造方法 说明
      public Thread(Runnable target) 封装Runnable对象成为线程对象

    • 调用线程对象的start()方法启动线程

  2. 方式二优缺点：

    • 优点：任务类只是实现接口，可以继续继承其他类、实现其他接口、扩展性强
    • 缺点：需要多一个Runnable对象

  3. 该方式可以采用匿名内部类写法

方式三：实现Callable接口

  1. 前两种线程创建方式都存在的一个问题

    • 假如线程执行完毕后有一些数据需要返回，他们重写的run()方法均不能直接返回结果

  2. 创建流程：

    1. 创建任务对象
      • 定义一个类实现Callable接口，重写call方法，封装要做的事情，和要返回的数据
      • 把Callable类型的对象封装成FutureTask（线程任务对象）
    2. 把线程任务对象交给Thread对象
    3. 调用Thread对象的start()方法
    4. 线程执行完毕后，通过FutureTask对象的get()方法去获取线程任务执行的结果

  3. FutureTask的API

    FutureTask提供的构造方法 说明
    public FurureTask<>(Callable) 把Callable对象封装成FutureTask对象
    FutureTask提供的方法 说明
    public V get() throws Exception 获取线程执行call()方法返回的对象

  4. 方式三的优缺点：

    • 优点：线程任务只是实现类，可以继承类和实现接口，扩展性强；可以在线程执行完毕后去获取线程执行的结果
    • 缺点：编码相对复杂

Thread的常用方法

  1. 常用方法

    方法名称 说明
    public void run() 线程的任务方法
    public void start() 启动线程
    public String getName() 获取当前线程的名称，线程名称默认是Thread-索引
    public void setName() 为线程设置名称
    public static Thread currentThread() 获取当前执行的线程对象
    public static void sleep(long time) 让当前执行的线程休眠多少毫秒后，再继续执行
    public final void join() 让调用当前这个方法的线程先执行完

  2. 构造方法

    构造方法 说明
    public Thread(String name) 可以为当前线程指定名称
    public Thread(Runnable target) 封装Runnable对象成为线程对象
    public Thread(Runnable target, String name) 封装Runnable对象成为线程对象，并指定线程名称

  3. Thread其他方法的说明：

    • Thread类还提供了诸如：yield、interrupt、守护线程、线程优先级等线程的控制方法，在开发中很少使用。

线程安全

  1. 线程安全问题：
    • 多个线程，同时操作一个共享资源的时候，可能会出现业务安全问题
  2. 线程安全问题出现的原因：
    • 存在多个线程在同时执行
    • 同时访问一个共享资源
    • 存在修改该共享资源

线程同步

认识线程同步

  1. 线程同步：
    • 解决线程安全的方案
  2. 线程同步的思想
    • 让多个线程实现先后依次访问共享资源，这样就解决了安全问题
  3. 线程同步的常见方案
    • 加锁：每次只允许一个线程加锁，加锁后才能访问，访问完毕后自动解锁，然后其他线程才能再加锁进来

方式一：同步代码块

  1. 作用：把访问共享资源的核心代码给上锁，以此保证线程安全

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    synchronized(同步锁){
        // 访问共享资源的核心代码
    }

    // 同步锁：就是一个java对象代表一把锁，实例方法建议使用this作为锁对象，静态方法建议使用 类名.class 作为锁对象

  2. 原理：每次只允许一个线程加锁后进入，执行完毕后自动解锁，然后其他线程才可以进来执行

  3. 同步锁的注意实现：

    • 对于当前同时执行的线程来说，同步锁必须是同一把（同一个对象），否则会出bug

方式二：同步方法

  1. 作用：把访问共享资源的核心方法给上锁，以此保证线程安全

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    修饰符 synchronized 返回值类型 方法名称(){
        // 操作共享资源的代码
    }

  2. 原理：每次只允许一个线程加锁后进入，执行完毕后自动解锁，然后其他线程才可以进来执行

  3. 同步方法底层原理

    • 同步方法其实底层也是有隐式锁对象的，只是锁的范围是整个方法代码
    • 如果方法是实例方法：同步方法默认用this作为的锁对象
    • 如果方法是静态方法：同步方法默认用类名.class作为的锁对象

  4. 同步代码块和同步方法比较：

    • 范围上：同步代码块锁的范围更小，同步方法锁的范围更大
    • 可读性：同步方法更好

方式三：Lock锁

  1. Lock锁：

    • Lock锁是JDK5开始提供的一个新的锁定操作，通过它可以创建出锁对象进行加锁和解锁，更灵活、更方便、更强大
    • Lock是接口，不能直接实例化，可以采用它的实现类ReentrantLock来构建Lock锁对象

  2. Lock锁方法：

    构造方法 说明
    public ReentrantLock() 获得Lock锁的实现类对象
    方法名称 说明
    void lock() 获得锁
    void unlock() 释放锁

线程通信[了解]

  1. 什么是线程通信？

    • 当多个线程共同操作共享的资源时，线程间通过某种方式互相告知自己的状态，以相互协调，并避免无效的资源争夺

  2. 线程通信的常见模型（生产者与消费者模型）

    • 生产者线程负责生产数据
    • 消费者线程负责消费生产者生产的数据
    • 注意：生产者生产完数据等待自己，通知消费者消费；消费者消费完数据也应该等待自己，再通知生产者生产

  3. Object类的等待和唤醒方法：

    方法名称 说明
    void wait() 让当前线程等待并释放锁占锁，直到另一个线程调用notify()方法或者notifyAll()方法
    void notify() 唤醒正在等待的单个线程
    void notifyAll() 唤醒正在等待的所有线程

    注意：上述方法应该使用当前同步锁对象进行调用

线程池

认识线程池

  1. 什么是线程池？
    • 线程池就是一个可以复用线程的技术
  2. 不使用线程池的问题：
    • 用户每发起一个请求，后台就需要创建一个新线程来处理，下次新任务来了肯定又要创建新线程来处理的，而创建新线程的开销是很大的，并且请求过多时，肯定会产生大量的线程出来，这样会严重影响系统的性能

如何创建线程池

  1. 谁代表线程池？

    • JDK5.0起提供了代表线程池的接口：ExecutorService

  2. 如何得到线程池对象？

    • 方式一：使用ExcutorService的实现类ThreadPoolExecutor自建一个线程池对象
    • 方式二：使用Executors（线程池工具类）调用方法返回不同特点的线程池对象

  3. ThreadPoolExcutor构造方法：

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    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, 								BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, 										RejectedExecutionHandler handler)
    • 参数一：corePoolSize：指定线程池的核心线程数量
    • 参数二：maximumPoolSize：指定线程池的最大线程数量
    • 参数三：keepAliveTime：指定临时线程的存活时间
    • 参数四：unit：指定临时线程存活的时间单位（秒、分、时、天）
    • 参数五：workQueue：指定线程池的任务队列
    • 参数六：threadFactory：指定线程池的线程工厂
    • 参数七：handler：指定线程池的任务拒绝策略（线程都在忙，任务队列也满了的时候，新任务来了该怎么处理）

  4. 线程池的注意事项：

    • 临时线程什么时候创建：
      • 新任务提交时发现核心线程都在忙，任务队列也满了，并且还可以创建临时线程，此时才会创建临时的线程
    • 什么时候会开始拒绝新任务？
      • 核心线程和临时线程都在忙，任务队列也满了，新的任务过来的时候才会开始拒绝任务

线程池处理Runnable、Callable任务

  1. ExecutorService的常用方法：

    方法名称 说明
    void execute(Runnable command) 执行Runnable任务
    Future<T> submit(Callable<T> task) 执行Callable任务，返回未来任务对象，用于获取线程返回的结果
    void shutdown() 等全部任务执行完毕后，再关闭线程池
    List<Runnable> shutdownNow() 立刻关闭线程池，停止正在执行的任务，并返回队列中未执行的任务

  2. 新任务拒绝策略

    策略 详解
    ThreadPoolExecutor.AbortPolicy 丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常，是默认策略
    ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy 丢弃任务，但是不抛出异常，这是不推荐的做法
    ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy 丢弃队列中等待最久的任务，然后把当前任务加入队列中
    ThreadPoolExecutor.CallerRunPolicy 由主线程负责调用任务的run()方法从而绕过线程池直接执行

Executors工具类实现线程池

  1. Executors：是一个工具类，提供了很多静态方法用于返回不同特点的线程池对象

  2. Executors常用方法：

    方法名称 说明
    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) 创建固定线程数量的线程池，如果某个线程因为异常而执行结束，那么线程池会补充一个新的线程代替它
    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() 创建只有一个线程的线程池对象，如果该线程出现异常而结束，那么线程池会补充一个新线程
    public static ExecutorService newCachedThreadPool() 线程数量随着任务增加而增加，如果线程任务执行完毕且空闲了60s则会被回收掉
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) 创建一个线程池，可以实现在给定的延迟后运行任务，或者定期执行任务

    注意：这些方法的底层，都是通过线程池的实现类ThreadPoolExecutor创建的线程池对象

  3. Executors使用可能存在的陷阱

    • 大型并发系统环境中使用Executors如果不注意可能会出现系统风险

  4. 核心线程数应该怎么配置

    • 计算密集型的任务：核心线程数量 = CPU的核数 + 1
    • IO密集型的任务：核心线程数量 = CPU的核数 * 2

其他细节知识

并发、并行

  1. 进程
    • 正在进行的程序（软件）就是一个独立的进程
    • 线程是属于进程的，一个进程中可以同时运行很多个线程
    • 进程中的多个进程其实就是并发和并行执行的
  2. 并发的含义：
    • 进程中的线程是由CPU负责调度执行的，但CPU能同时处理线程的数量有限，为了保证全部线程都能往前执行，CPU会轮询为系统的每个线程服务，由于CPU切换的速度很快，给我们的感觉这些线程在同时执行，这就是并发
  3. 并行的理解：
    • 在同一时刻上，同时有多个进程在被CPU调度执行
  4. 多线程到底是怎么在执行的？
    • 并发和并行同时进行的

线程的生命周期

  1. 线程的生命周期

    • 也就是线程从生到死的过程中，经历的各种状态及状态转换
    • 理解线程这些状态有利于提升并发编程的理解能力

  2. Java线程的状态：

    • Java总共定义了6种状态

    • 6种状态都定义在Thread类的内部枚举类中

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      public class Thread{
      	...
          public enum State {
      		NEW,
      		RUNNABLE,
      		BLOCKED,
      		WAITING,
      		TIMED_WAITING,
      		TERMINATED;
          }
          ...
      }

    • 线程的6种状态相互转化

  3. 线程6种状态的总结：

    线程状态 说明
    NEW（新建） 线程刚被创建，但是未启动
    RUNNABLE（可运行） 线程已经调用start()，等待CPU调度
    BLOCKED（锁阻塞） 线程在执行的时候为竞争到锁对象，则该线程进入blocked状态
    WAITING（无限等待） 一个线程进入waiting状态，另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能被唤醒
    TIMED_WAITING（计时等待） 同waiting状态，有几个方法（sleep、wait）有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态
    TERMINATED（被终止） 因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡
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