今日学习内容

  • 实现多线程
  • 线程同步
  • 生产者与消费者案例

1 实现多线程

1.1 进程和线程

  • 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,是进程中的一条执行路径

    ​ 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

  • 如果一个进程一个线程都没有,则该进程也会随之结束

1.2 实现多线程的两种方式

1.2.1 方式一:继承Thread类
  • 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
    • 在测试类中创建 MyThread 类的对象
    • 调用 start() 方法启动线程
  • 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

1.2.2 方式一:实现Runnable接口
  • 实现步骤

    • 定义一个类 MyRunnable 实现 Runnable 接口
    • 在 MyRunnable 类中重写run()方法
    • 在测试类中创建 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进行传递
    • 调用 start() 方法启动线程
  • 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
1.2.3 总结
  • 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
1.2.4 两种创建新线程的方式的区别

​ 1、实现Runnable接口的方式避免了单一继承的局限性
​ 继承Thread类有单一继承的局限性,它已经有父类就不使用这种方法了

​ 2、实现Runnable接口的方式将线程任务和线程启动进行分类

1.2.5 多线程执行的特点

​ 1、CPU在多条线程之间进行高速来回随机切换
​ CPU执行速度特别快
​ 多条线程在抢夺CPU的执行权
​ 执行是很随机的,没有规律,看到执行的结果每次都不太一样

​ 2、我们看到的结果称之为交替执行,专业的叫法是并发执行

​ 3、多条线程执行是互不干扰的,互相独立的

1.3 设置和获取线程名称

  • 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
  • 设置名称

    ​ 1、调用setName()方法设置

    my1.setName("高铁");

    ​ 2、编写一个带字符串参数的构造

    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }
  • 线程没有设置名称也有默认名称

    • 普通线程:Thread-x,x是变量,从0开始
    • 主线程:main

1.4 线程优先级

  • 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
  • 优先级越高的线程抢占到CPU的几率也高,但是不是绝对的

1.5 线程控制

  • 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

1.6 线程的生命周期

​ 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.jpg

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
  • 线程的六种状态

​ NEW:新建
​ 至今尚未启动的线程处于这种状态。
​ RUNNABLE:运行状态
​ 正在 Java 虚拟机中执行的线程处于这种状态。
​ BLOCKED:阻塞和就绪(没有CPU的执行权)
​ 受阻塞并等待某个监视器锁的线程处于这种状态。
​ WAITING:无限等待(调用wait())
​ 无限期地等待另一个线程来执行某一特定操作的线程处于这种状态。
​ TIMED_WAITING:计时等待(调用wait(long time))
​ 等待另一个线程来执行取决于指定等待时间的操作的线程处于这种状态。
​ TERMINATED:死亡
​ 已退出的线程处于这种状态。

1.7 方法重写的原则:一大两同两小

方法重写一般子类和父类方法的方法声明一致,但是方法声明其实也是可以不完全一致的,遵循以下原则:

  • 一大:子类方法的权限修饰大于等于父类方法的权限修饰符

            public > protected > 默认 > private
    
  • 两同:

    ​ 1、方法名要完全相同

    ​ 2、参数里列表要完全相同

  • 两小

    ​ 1、子类方法的返回值类型必须小于等于父类方法的返回值类型
    ​ 只针对引用类型有效,对基本类型无效
    ​ 如果返回值类型是基本类型或者是void,那么也必须一致

    ​ 2、子类方法抛出的异常要少于等于父类方法的异常,父类方法如果没有抛异常则子类绝对不能抛,只能处理
    ​ 子类方法抛出的异常要小于等于父类方法的异常

2 线程同步

2.1 同步代码块解决数据安全问题

  • 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
  • 线程安全问题产生的原因:

    ​ 1、多线程
    ​ 2、有共享数据,代码有多条
    ​ 3、多线程操作共享数据

2.2 同步方法解决数据安全问题

  • 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

2.3 线程安全的类

  • 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
  • 区别
  • ArrayList和Vector的区别

    1、ArrayList是不同步的(非同步的),没有加同步(同步代码块和同步方法),效率高,但是它在多线程不安全
       Vector是同步的,加了同步锁,效率低,但是它是线程安全的
    2、ArrayList是后期归为单列集合体系的,方法名称都很规范,很简洁
       Vector是单列集合体系之前出现的,方法名称都不够规范,不够简洁
    ArrayList是替代Vector的,即使是多线程情况下也不使用Vector,以后Vector可能在面试的时候才用到
    
  • StringBuilder和StringBuffer的区别

    StringBuilder不同步的,效率高,不安全
    StringBuffer是同步的,效率低,安全
    

    ​ 如果是单线程使用StringBuilder
    ​ 如果是多线程使用StringBuffer

  • HashMap和Hashtable的区别

    1、HashMap不同步的,效率高,不安全
       Hashtable是同步的,效率低,安全
    2、HashMap可以存储null键和null值
        Hashtable不能存储null键和null值
    

    ​ HashMap是替代Hashtable的,即使是多线程情况下也不使用Hashtable,以后Hashtable可能在面试的时候才用到

2.4 Lock锁

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

2.5 线程通信

  • 应用等待唤醒机制

    • wait():无限等待
    • notify():随机唤醒一个正在等待的线程
    • notifyAll():唤醒所有正在等待的线程

2.6 sleep和wait的区别

​ 1、sleep是Thread类中的静态方法,sleep方法必须传递时间参数
​ wait是Object类中的非静态方法,可以传递时间参数也可以不传递

    2、sleep可以在同步中使用,也可以在非同步中使用
        wait必须在同步中使用,而且必须被锁对象所调用

​ 3、sleep在同步中使用不会释放锁,会抱着锁谁
​ wait在同步中使用会释放锁

3 生产者消费者

3.1生产者和消费者模式概述

  • 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.jpg

  • 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();
        }
    }