Java多线程详解与应用实践-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/kukudeYSB/article/details/124024782

目录

基本的概念：

程序：

进程：

线程：

使用多线程的优点：

何时需要多线程：

线程的创建和使用( java.lang.Thread 类)：

多线程的创建：

方式一：继承于Thread类

方式二：实现Runnable接口

比较创建线程的两种方式：

Thread类的有关方法：

线程的调度：

调度策略：

Java的调度方法

线程的优先级：

线程的优先级等级：

涉及的方法：

说明：

线程的生命周期：

JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态：

线程的同步：

解决线程安全问题：

方式一：同步代码块

方式二：同步方法

方法三：Lock锁

面试题：synchronized 与 Lock 的异同？

优先使用顺序：

使用同步机制将单列模式中的懒汉式改写为线程安全的：

线程的死锁问题：

线程的通信：

线程通讯的例子：使用两个线程打印1-100.线程1，线程2，交替打印：

涉及到的三个方法：

面试题：sleep() 和 wait() 的异同？

例题：

JDK5.0新增线程创建方式：

新增方式一：实现Callable接口

实现步骤：

与使用Runnable相比，Callable功能更强大些

Future接口：

新增方式二：使用线程池

线程池相关API：

创建线程池：

基本的概念：

程序：

是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象。

进程：

是程序的一次执行过程，或是正在执行的一个程序。是一个动态的过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程。——生命周期

>程序是静态的，进程是动态的。

>进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每一个进程分配不同的区域

线程：

进程可进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。

>若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的

>线程作为调度和执行的单位，每一个线程拥有独立的运行栈和程序计数器，线程切换的开销小

>一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存dizhikjian—>他们从同一个堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间的通讯更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患

使用多线程的优点：

1、提高应用程序的相应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验。

2、提高计算机系统CPU的利用率。

3、改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改。

何时需要多线程：

>程序需要同时执行两个或多个任务；

>程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。

>需要一些后台运行的程序时。

线程的创建和使用( java.lang.Thread 类)：

多线程的创建：

方式一：继承于Thread类

1、创建一个继承于Thread类的子类

2、重写Thread类的run() ——> 将此线程执行的操作声明在run()中

3、创建Thread类的子类对象

4、通过次对象调用start() （1）启动当前线程；（2）调用当前线程的run()。

另一种书写方式：（创建匿名子类）

尝试：

代码
//1、创建一个继承于Thread类的子类
class MyThread extends Thread {
    //2、重写Thread类的run()
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i ++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args){
        //3、创建Thread类的子类的对象
        MyThread myThread = new MyThread();

        //4、通过次对象调用start()
        myThread.start();

        //问题一：我们不能通过直接调用run()的方式启动线程
        //myThread.run();

        //问题二：不可以让已经start()的线程在执行      --- 需要重新创建对象
        //myThread.start();

        //如下操作仍然是在main线程中执行的。
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i ++) {
           if(i % 2 == 0){
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
           }
        }
    }
}
结果

调用start()调用当前线程

我们不能通过直接调用run()的方式启动线程

调用run()时并没有调用线程

问题一：我们不能通过直接调用run()的方式启动线程

问题二：不可以让已经start()的线程再执行 --- 需要重新创建对象

方式二：实现Runnable接口

1、创建一个实现了Runnable接口的类

2、实现类去实现Runnable中的抽象方法：run();

3、创建实现类的对象

4、将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象

5、通过Thread类的对象调用start(); (1)启动线程 (2)调用当前线程的run();

尝试：

代码
import com.sun.xml.internal.ws.encoding.MtomCodec;

//1、创建一个实现了Runnable接口的类
class MThread implements Runnable{

    //2、实现类去实现Runnable中的抽象方法：run();
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0 ; i < 10 ; i ++){
            if (i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
            }
        }
    }
}

public class WindowTest2 {
    public static void main(String[] args){
        //3、创建实现类的对象
        MThread mThread = new MThread();
        //4、将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
        Thread thread = new Thread(mThread);
        //5、通过Thread类的对象调用start();    (1)启动线程  (2)调用当前线程的run();
        thread.setName("线程001");
        thread.start();

        //再启动一个线程，遍历10以内的偶数
        Thread thread1 = new Thread(mThread);
        thread1.setName("线程002");
        thread1.start();
    }
}
结果

比较创建线程的两种方式：

开发中：优先选择：实现Runnable接口的方式

原因：1、实现的方式没有类的单继承性的局限性

2、实现的方式更适合来处理多个线程有共享数据的情况

联系：Thread类也实现了Runnable接口

相同点：两种方式都需要重写run()，将线程要执行的逻辑声明在run()中

Thread类的有关方法：

1、start();启动当前线程；调用当前线程的run()；

2、run();通常需要重写Thread类中的此方法，将创建的线程要执行的操作声明在此方法中

3、currentThread();静态方法，返回执行的当前代码的线程

4、getName();获取当前线程的名字

5、setName();设置当前线程的名字

6、yield();释放当前位置cpu的执行权

7、join();在线程a中调用线程b的join()，此时线程a就进入堵塞状态，直到线程b完全执行完以后，线程a才结束阻塞状态

8、sleep(long milltime);让当前线程“睡眠”指定的milltime毫秒，在指定时间内，当前线程是堵塞状态

9、isAlive();判断当前线程是否存活

10、wait();是Object类的方法，当一个线程执行到wait方法时，它就进入到一个和该对象相关的等待池，同时释放对象的机锁，使得其他线程能够访问，可以通过notify，notifyAll方法来唤醒等待的线程

11、suspend();挂起

12、stop();停止

线程的调度：

调度策略：

>时间片

>抢占式：高优先级的线程抢占CPU

Java的调度方法

>同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用时间片策略

>对高优先级，使用优先调度的抢占式策略

线程的优先级：

高优先级的线程要抢占低优先级线程cpu的执行权。但是只是从概率上讲，高优先级的线程高概率的情况下被执行。并不是意味着只有当高优先级的执行完以后，低优先级的线程才执行

线程的优先级等级：

>MAX_PRIORITY：10

>MIN_PRIORITY：1

>NORM_PRIORITY：5 --->默认优先级

涉及的方法：

>getPriority();返回线程优先值

>setPriority(int newPriority);改变线程的优先级

说明：

>线程创建时继承了父线程的优先级

>低优先级只是获取调度的概率低，并非一定是在高优先级线程之后才被调用

尝试：

代码：
class ThreadT extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i ++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + Thread.currentThread().getPriority() + "----" + i);
            }
        }
    }
}

public class Test
{
    public static void main(String[] args)
    {
        ThreadT thread = new ThreadT();
        thread.setName("线程002");
        thread.setPriority( 4 );
        thread.start();

        Thread.currentThread().setName("主线程001");
        for(int i = 0 ; i <10 ; i ++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + Thread.currentThread().getPriority() + "----" + i);
            }
        }
    }
}
结果：

线程的生命周期：

JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态：

新建：当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态

就绪：处于新建状态的线程被Start()后，将进入线程队列等待CPU时间片，此时它已具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源

运行：当就绪的线程被调度并获取CPU资源时，便进入运行状态，run();方法定义了线程的操作和功能

阻塞：在某种特殊情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，让出CPU并临时中止自己的执行，进入阻塞状态

死亡：线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束

线程的同步：

好处：同步的方式，解决了线程的安全问题。

坏处：操作同步代码时，只能有一个线程参与，其他线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。

解决线程安全问题：

方式一：同步代码块

 synchronized(同步监视器){

        //需要被同步的代码

}

尝试：

class Window1 implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    //private static Object obj =  new Object();
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            synchronized (Window1.class) {
                if (ticket > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号：" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args){
        Window1 w = new Window1();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

说明：1、操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码。 --->不能包含代码多了，也不能包含代码少了

2、共享数据：多个线程共同操作的变量。比如：ticket就是共享数据。

3、同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。

要求：多个线程必须要共用同一把锁。

补充：在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器。

在继承Thread类创建多线程的方式中，慎用this充当同步监视器，可以考虑使用当前类来充当同步监视器。

方式二：同步方法

如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，我们不妨将次方法声明为同步的

1、使用同步方法决绝实现Runnable接口的线程安全问题

尝试：

class Window3 implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            show();
            if (ticket <= 0) break;
        }
    }

    private synchronized void show(){
        if (ticket > 0){
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
            ticket --;
        }
    }
}

public class WindowTest3 {
    public static void main(String[] args){
        Window3 w = new Window3();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

2、使用同步方法处理继承Thread类的方式中的线程安全问题

尝试：

class Window4 extends Thread{
    private static int ticket = 100;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            show();
            if (ticket <= 0) break;
        }
    }
    private static synchronized void show(){//同步监视器：Window4.class
    //private synchronized void show(){//同步监视器：w1、w2、w3。此种解决方法是错误的
        if (ticket > 0){
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
            ticket --;
        }
    }
}

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        Window4 w1 = new Window4();
        Window4 w2 = new Window4();
        Window4 w3 = new Window4();

        w1.setName("窗口1");
        w2.setName("窗口2");
        w3.setName("窗口3");

        w1.start();
        w2.start();
        w3.start();
    }
}

关于同步方法的总结：

1、同步方法任然涉及到同步监视器，只是不需要我们显示的声明。

2、非静态的同步方法，同步监视器是：this

静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身

方法三：Lock锁

1、实例化ReentrantLock

2、调用lock();

3、调用解锁方法

尝试：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

class Window implements Runnable{

    private int ticket = 100;
    //1、实例化ReentrantLock
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                //2、调用lock()
                lock.lock();
                if (ticket > 0) {

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：售票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
            finally {
                //3、调用解锁方法
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}
public class LockTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window w = new Window();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

面试题：synchronized 与 Lock 的异同？

相同：二者都可以解决线程安全问题

不同：synchronized 机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器 lock 需要手动的启动同步（ lock() ），同时结束同步也需要手动的实现（ unlock() ）

优先使用顺序：

lock --> 同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源） --> 同步方法（在方法体之外）

使用同步机制将单列模式中的懒汉式改写为线程安全的：

//使用同步机制将单列模式中的懒汉式改写为线程安全的
public class BankTest {
}

class Bank{
    private Bank(){}

    private static Bank instance = null;
    public static Bank getInstance(){
        //方式一：效率较差
        /*synchronized (Bank.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Bank();
            }
            return instance;
        }*/
        //方式二：效率稍高
        synchronized (Bank.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Bank();
            }
        }
        return instance;
    }
}

线程的死锁问题：

说明：

>不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁。

>出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续。

>我们使用同步时，要避免出现死锁。

解决方法：

>专门的算法、原则

>尽量减少同步资源的定义

>尽量避免嵌套同步

例子：

public class ThreadTest{
    public static void main(String[] args){

        StringBuffer s1 = new StringBuffer();
        StringBuffer s2 = new StringBuffer();

        new Thread(){
            @Override
            public void run() {

                synchronized (s1){
                    s1.append("a");
                    s2.append("1");

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    synchronized (s2){
                        s1.append("b");
                        s2.append("2");

                        System.out.println(s1);
                        System.out.println(s2);
                    }
                }
            }
        }.start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (s2){
                    s1.append("c");
                    s2.append("3");

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    synchronized (s1){
                        s1.append("d");
                        s2.append("4");

                        System.out.println(s1);
                        System.out.println(s2);
                    }
                }
            }
        }).start();

    }
}

线程的通信：

线程通讯的例子：使用两个线程打印1-100.线程1，线程2，交替打印：

尝试：
class Number implements Runnable{
    private int number = 1;

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (this) {

                notify();

                if (number <= 100) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
                    number++;

                    try {
                        //使得调用如下wait()方法的线程进入阻塞状态
                        wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

public class Test{
    public static void main(String[] args) {
        Number number = new Number();
        Thread t1 = new Thread(number);
        Thread t2 = new Thread(number);

        t1.setName("线程1");
        t2.setName("线程2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}
结果：

涉及到的三个方法：

wait();一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器。

notify();一旦执行此方法，就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先级较高的线程

notifyAll();一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。

说明：

1、wait()、notify()、notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或者同步方法中。

2、wait()、notify()、notifyAll()三个方法的调用这必须是同步代码块或者同步方法中的同步监视器。否则会出现异常

3、wait()、notify()、notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object类中。

面试题：sleep() 和 wait() 的异同？

1、相同点：一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入堵塞状态。

2、不同点：（1）两个方法的声明的位置不同：Thread 类中声明sleep()，Object类中声明 wait()

（2）调用的要求不同：sleep()可以在任何需要的场景下调用。wait()必须使用在同步代码块或同步方法中

（3）关于是否释放同步监视器：如果两个方法都使用在同步代码块或同步方法中，sleep()不会释放锁，wait()会释放锁。

例题：

代码：
class Clerk{
    private int productCount = 0;
    //生产产品
    public synchronized void produceProduct() {
        if (productCount < 20){
            productCount++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始生产第" + productCount + "个产品");
            notify();
        }else {
            //等待
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    //消费产品
    public synchronized void consumeProduct() {
        if (productCount > 0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始消费第" + productCount + "个产品");
            productCount--;
            notify();
        }else {
            //等待
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class Producer extends Thread{//生产者

    private Clerk clerk;

    public Producer(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：开始生产产品。。。");

        while (true){
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.produceProduct();
        }
    }
}

class Consumer extends Thread{//消费者
    private Clerk clerk;

    public Consumer(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：开始消费产品。。。");

        while (true){
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.consumeProduct();
        }
    }
}

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        Clerk clerk = new Clerk();

        Producer p1 = new Producer(clerk);
        p1.setName("生产者1");

        Consumer c1 = new Consumer(clerk);
        c1.setName("消费者1");

        p1.start();
        c1.start();
    }
}

JDK5.0新增线程创建方式：

新增方式一：实现Callable接口

实现步骤：

1、创建一个实现Callable的实现类

2、实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中

3、创建Callable接口实现类的对象

4、将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask的对象

5、将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用 start()

（可无）6、获取Callable中call方法的返回值

与使用Runnable相比，Callable功能更强大些

>相比run()方法，可以有返回值

>方法可以抛出异常

>支持泛型的返回值

>需要借助FutureTask类，比如获取返回结果

Future接口：

尝试：
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

//1、创建一个实现Callable的实现类
class NumThread implements Callable{
    //2、实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 1 ; i <= 100 ; i++){
            if (i % 2 == 0){
                System.out.println(i);
                sum += i;
            }
        }
        return sum;
    }
}

public class ThreadNew {
    public static void main(String[] args){
        //3、创建Callable接口实现类的对象
        NumThread numThread = new NumThread();
        //4、将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask的对象
        FutureTask futureTask = new FutureTask(numThread);
        //5、将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
        new Thread(futureTask).start();

        try{
            //6、获取Callable中call方法的返回值
            //get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值
            Object sum = futureTask.get();
            System.out.println("总和为：" + sum);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }catch (ExecutionException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
新增方式二：使用线程池

背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。

思路：提前创建好多个线程，放入线程池当中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

好处：

>提高相应速度（减少了创建新线程的时间）

>降低资源消耗（重复利用线程池中的线程，不需要每次都创建）

>便于线程管理

corePoolSize：核心池的大小

maximumPoolSize：最大线程数

keepAliceTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

.......

线程池相关API：

创建线程池：

1、提供指定线程数量的线程池

2、执行指定的线程的操作，需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现了类的对象

3、关闭连接池

尝试：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;

class NumberThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0 ; i <= 10 ; i++){
            if (i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}
class NumberThread1 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0 ; i <= 10 ; i++){
            if (i % 2 != 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        //1、提供指定线程数量的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor)service;
        //设置线程池的属性
        //System.out.println(service.getClass());
        //service1.setCorePoolSize(15);
        //service1.setKeepAliveTime();

        //2、执行指定的线程的操作，需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现了类的对象
        service.execute(new NumberThread());//适合适用于Runnable
        service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable

        // service.submit(Callable callable);//适合适用于Callable

        //3、关闭连接池
        service.shutdown();
    }
}