个人学习 | Java基础查缺补漏（多线程）

已于 2023-04-06 11:52:41 修改
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文章标签： java 学习 开发语言
于 2023-04-05 22:22:12 首次发布
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_44075764/article/details/129940340
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本文详细介绍了Java中的多线程概念，包括通过继承Thread类、实现Runnable接口、Callable接口以及使用线程池创建和启动线程的方式。讨论了Thread类的构造器和方法，以及线程的生命周期状态。文章还深入探讨了同步机制，如synchronized关键字、锁、死锁和线程通信，以及单例设计模式的线程安全问题。最后，提到了使用内部类和JDK5.0的Lock接口来实现线程安全的优化策略。

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个人学习 | Java基础查缺补漏（多线程）

写在前面

我最近重新开始回到Java开发的学习路径中，希望能够在秋招前尽快掌握基本的Java开发技术。这几天利用尚硅谷的Java教学视频从头过了一遍Java基础教程，在原有的基础上补充了很多知识点。

该文章内容为尚硅谷出品的Java教程中摘抄的内容，并非本人原创。

创建和启动线程

  • Java语言的JVM允许程序运行多个线程，使用java.lang.Thread类代表线程，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。

  • Thread类的特性

    • 每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的，因此把run()方法体称为线程执行体。
    • 通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用run()
    • 要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。

方式1：继承Thread类

Java通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下：

  1. 定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务
  2. 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
  3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程

代码如下：

//自定义线程类
public class MyThread extends Thread {
    //定义指定线程名称的构造方法
    public MyThread(String name) {
        //调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
        super(name);
    }
    /**
     * 重写run方法，完成该线程执行的逻辑
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
        }
    }
}

测试类：

public class TestMyThread {
    public static void main(String[] args) {
        //创建自定义线程对象1
        MyThread mt1 = new MyThread("子线程1");
        //开启子线程1
        mt1.start();
        
        //创建自定义线程对象2
        MyThread mt2 = new MyThread("子线程2");
        //开启子线程2
        mt2.start();
        
        //在主方法中执行for循环
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main线程！"+i);
        }
    }
}

注意：

  1. 如果自己手动调用run()方法，那么就只是普通方法，没有启动多线程模式。

  2. run()方法由JVM调用，什么时候调用，执行的过程控制都有操作系统的CPU调度决定。

  3. 想要启动多线程，必须调用start方法。

  4. 一个线程对象只能调用一次start()方法启动，如果重复调用了，则将抛出以上的异常“IllegalThreadStateException”。

方式2：实现Runnable接口

Java有单继承的限制，当我们无法继承Thread类时，那么该如何做呢？在核心类库中提供了Runnable接口，我们可以实现Runnable接口，重写run()方法，然后再通过Thread类的对象代理启动和执行我们的线程体run()方法

步骤如下：

  1. 定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。

  2. 创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target参数来创建Thread对象，该Thread对象才是真正
    的线程对象。

  3. 调用线程对象的start()方法，启动线程。调用Runnable接口实现类的run方法。

代码如下：

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
        }
    }
}

测试类：

public class TestMyRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        //创建自定义类对象  线程任务对象
        MyRunnable mr = new MyRunnable();
        //创建线程对象
        Thread t = new Thread(mr, "长江");
        t.start();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("黄河 " + i);
        }
    }
}

  • 通过实现Runnable接口，使得该类有了多线程类的特征。所有的分线程要执行的代码都在run方法里面。

  • 在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象，然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。

  • 实际上，所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是继承Thread类还是实现
    Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的，熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。

在这里插入图片描述

说明：Runnable对象仅仅作为Thread对象的target，Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。而实际的线程对象依然是Thread实例，只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

对比两种方式

联系

Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。即：

public class Thread extends Object implements Runnable

区别

  • 继承Thread：线程代码存放Thread子类run方法中。

  • 实现Runnable：线程代码存在接口的子类的run方法。

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势

  • 避免了单继承的局限性
  • 多个线程可以共享同一个接口实现类的对象，非常适合多个相同线程来处理同一份资源。
  • 增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享，代码和线程独立。

方式3：实现Callable接口

  • 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，获取返回结果）
  • Future接口（了解）
    • 可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
    • FutureTask是Futrue接口的唯一的实现类
    • FutureTask 同时实现了Runnable, Future接口。它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值
  • 缺点：在获取分线程执行结果的时候，当前线程（或是主线程）受阻塞，效率较低。

代码举例：

/*
 * 创建多线程的方式三：实现Callable （jdk5.0新增的）
 */
//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 CallableTest {
    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构造器中，创建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();
//      接收返回值
        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();
        }
    }
}

方式4：使用线程池

现有问题：

如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程和销毁线程需要时间，大大降低了系统的效率。是否可以线程复用？即执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务。

**思路：**提前创建好多个线程，放入线程池中，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。

好处：

  • 提高响应速度（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
    • keepAliveTime：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

  • JDK5.0之前，我们必须手动自定义线程池。从JDK5.0开始，Java内置线程池相关的API。在java.util.concurrent包下提供了线程池相关API：ExecutorService 和 Executors。
  • ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor
    • void execute(Runnable command) ：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
    • <T> Future<T> submit(Callable<T> task)：执行任务，有返回值，一般又来执行Callable
    • void shutdown() ：关闭连接池
  • Executors：一个线程池的工厂类，通过此类的静态工厂方法可以创建多种类型的线程池对象。
    • Executors.newCachedThreadPool()：创建一个可根据需要创建新线程的线程池
    • Executors.newFixedThreadPool(int nThreads); 创建一个可重用固定线程数的线程池
    • Executors.newSingleThreadExecutor() ：创建一个只有一个线程的线程池
    • Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize)：创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。

代码举例：

class NumberThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0;i <= 100;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 <= 100;i++){
            if(i % 2 != 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }
        }
    }
}

class NumberThread2 implements Callable {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        int evenSum = 0;//记录偶数的和
        for(int i = 0;i <= 100;i++){
            if(i % 2 == 0){
                evenSum += i;
            }
        }
        return evenSum;
    }

}

public class ThreadPoolTest {
    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());//ThreadPoolExecutor
        service1.setMaximumPoolSize(50); //设置线程池中线程数的上限

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

        try {
            Future future = service.submit(new NumberThread2());//适合使用于Callable
            System.out.println("总和为：" + future.get());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //3.关闭连接池
        service.shutdown();
    }
}

变形写法

使用匿名内部类对象来实现线程的创建和启动

new Thread("新的线程！"){
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
		}
	}
}.start();

new Thread(new Runnable(){
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：" + i);
		}
	}
}).start();

Thread类的常用结构

构造器

  • public Thread()：分配一个新的线程对象。
  • `public Thread(String name)：分配一个指定名字的新的线程对象。
  • public Thread(Runnable target)：指定创建线程的目标对象，它实现了Runnable接口中的run方法
  • public Thread(Runnable target,String name)：分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

常用方法系列1

  • public void run()：此线程要执行的任务在此处定义代码。
  • public void start()：导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。
  • public String getName()：获取当前线程名称。
  • public void setName(String name)：设置该线程名称。
  • public static Thread currentThread()：返回对当前正在执行的线程对象的引用。在Thread子类中就是this，通常用于主线程和Runnable实现类
  • public static void sleep(long millis)：使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。
  • public static void yield()：yield只是让当前线程暂停一下，让系统的线程调度器重新调度一次，希望优先级与当前线程相同或更高的其他线程能够获得执行机会，但是这个不能保证，完全有可能的情况是，当某个线程调用了yield方法暂停之后，线程调度器又将其调度出来重新执行。

常用方法系列2

  • public final boolean isAlive()：测试线程是否处于活动状态。如果线程已经启动且尚未终止，则为活动状态。

  • void join()：等待该线程终止。

  • void join(long millis)：等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。如果millis时间到，将不再等待。

  • void join(long millis, int nanos)：等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒。

  • public final void stop()：已过时，不建议使用。强行结束一个线程的执行，直接进入死亡状态。run()即刻停止，可能会导致一些清理性的工作得不到完成，如文件，数据库等的关闭。同时，会立即释放该线程所持有的所有的锁，导致数据得不到同步的处理，出现数据不一致的问题。

  • void suspend() / void resume() : 这两个操作就好比播放器的暂停和恢复。二者必须成对出现，否则非常容易发生死锁。suspend()调用会导致线程暂停，但不会释放任何锁资源，导致其它线程都无法访问被它占用的锁，直到调用resume()。已过时，不建议使用。

常用方法系列3

每个线程都有一定的优先级，同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用分时调度策略。优先级高的线程采用抢占式策略，获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。

  • Thread类的三个优先级常量：

    • MAX_PRIORITY（10）：最高优先级
    • MIN _PRIORITY （1）：最低优先级
    • NORM_PRIORITY （5）：普通优先级，默认情况下main线程具有普通优先级。

  • public final int getPriority()：返回线程优先级

  • public final void setPriority(int newPriority)：改变线程的优先级，范围在[1,10]之间。

守护线程

有一种线程，它是在后台运行的，它的任务是为其他线程提供服务的，这种线程被称为“守护线程”。JVM的垃圾回收线程就是典型的守护线程。

  • 守护线程的特点：如果所有非守护线程都死亡，那么守护线程自动死亡。

  • 调用setDaemon(true)方法可将指定线程设置为守护线程。必须在线程启动之前设置，否则会报IllegalThreadStateException异常。

  • 调用isDaemon()可以判断线程是否是守护线程。

多线程的生命周期

Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线程，在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下一些状态：

JDK1.5之前：5种状态

线程的生命周期有五种状态：新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、死亡（Dead）。CPU需要在多条线程之间切换，于是线程状态会多次在运行、阻塞、就绪之间切换。
在这里插入图片描述
1.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。此时它和其他Java对象一样，仅仅由JVM为其分配了内存，并初始化了实例变量的值。此时的线程对象并没有任何线程的动态特征，程序也不会执行它的线程体run()。

2.就绪

但是当线程对象调用了start()方法之后，就不一样了，线程就从新建状态转为就绪状态。JVM会为其创建方法调用栈和程序计数器，当然，处于这个状态中的线程并没有开始运行，只是表示已具备了运行的条件，随时可以被调度。至于什么时候被调度，取决于JVM里线程调度器的调度。

注意：

程序只能对新建状态的线程调用start()，并且只能调用一次，如果对非新建状态的线程，如已启动的线程或已死亡的线程调用start()都会报错IllegalThreadStateException异常。

3.运行

如果处于就绪状态的线程获得了CPU资源时，开始执行run()方法的线程体代码，则该线程处于运行状态。如果计算机只有一个CPU核心，在任何时刻只有一个线程处于运行状态，如果计算机有多个核心，将会有多个线程并行(Parallel)执行。

当然，美好的时光总是短暂的，而且CPU讲究雨露均沾。对于抢占式策略的系统而言，系统会给每个可执行的线程一个小时间段来处理任务，当该时间用完，系统会剥夺该线程所占用的资源，让其回到就绪状态等待下一次被调度。此时其他线程将获得执行机会，而在选择下一个线程时，系统会适当考虑线程的优先级。

4.阻塞

当在运行过程中的线程遇到如下情况时，会让出 CPU 并临时中止自己的执行，进入阻塞状态：

  • 线程调用了sleep()方法，主动放弃所占用的CPU资源；
  • 线程试图获取一个同步监视器，但该同步监视器正被其他线程持有；
  • 线程执行过程中，同步监视器调用了wait()，让它等待某个通知（notify）；
  • 线程执行过程中，同步监视器调用了wait(time)
  • 线程执行过程中，遇到了其他线程对象的加塞（join）；
  • 线程被调用suspend方法被挂起（已过时，因为容易发生死锁）；

当前正在执行的线程被阻塞后，其他线程就有机会执行了。针对如上情况，当发生如下情况时会解除阻塞，让该线程重新进入就绪状态，等待线程调度器再次调度它：

  • 线程的sleep()时间到；
  • 线程成功获得了同步监视器；
  • 线程等到了通知(notify)；
  • 线程wait的时间到了
  • 加塞的线程结束了；
  • 被挂起的线程又被调用了resume恢复方法（已过时，因为容易发生死锁）；

5.死亡

线程会以以下三种方式之一结束，结束后的线程就处于死亡状态：

  • run()方法执行完成，线程正常结束
  • 线程执行过程中抛出了一个未捕获的异常（Exception）或错误（Error）
  • 直接调用该线程的stop()来结束该线程（已过时）

JDK1.5及之后：6种状态

在java.lang.Thread.State的枚举类中这样定义：

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

  • NEW（新建）：线程刚被创建，但是并未启动。还没调用start方法。

  • RUNNABLE（可运行）：这里没有区分就绪和运行状态。因为对于Java对象来说，只能标记为可运行，至于什么时候运行，不是JVM来控制的了，是OS来进行调度的，而且时间非常短暂，因此对于Java对象的状态来说，无法区分。

  • Teminated（被终止）：表明此线程已经结束生命周期，终止运行。

  • 重点说明，根据Thread.State的定义，阻塞状态分为三种：BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING。

    • BLOCKED（锁阻塞）：在API中的介绍为：一个正在阻塞、等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。只有获得锁对象的线程才能有执行机会。
      • 比如，线程A与线程B代码中使用同一锁，如果线程A获取到锁，线程A进入到Runnable状态，那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。
    • TIMED_WAITING（计时等待）：在API中的介绍为：一个正在限时等待另一个线程执行一个（唤醒）动作的线程处于这一状态。
      • 当前线程执行过程中遇到Thread类的sleep或join，Object类的wait，LockSupport类的park方法，并且在调用这些方法时，设置了时间，那么当前线程会进入TIMED_WAITING，直到时间到，或被中断。
    • WAITING（无限等待）：在API中介绍为：一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。
      • 当前线程执行过程中遇到遇到Object类的wait，Thread类的join，LockSupport类的park方法，并且在调用这些方法时，没有指定时间，那么当前线程会进入WAITING状态，直到被唤醒。
        • 通过Object类的wait进入WAITING状态的要有Object的notify/notifyAll唤醒；
        • 通过Condition的await进入WAITING状态的要有Condition的signal方法唤醒；
        • 通过LockSupport类的park方法进入WAITING状态的要有LockSupport类的unpark方法唤醒
        • 通过Thread类的join进入WAITING状态，只有调用join方法的线程对象结束才能让当前线程恢复；

说明：当从WAITING或TIMED_WAITING恢复到Runnable状态时，如果发现当前线程没有得到监视器锁，那么会立刻转入BLOCKED状态。

在这里插入图片描述

我们在翻阅API的时候会发现Timed Waiting（计时等待） 与 Waiting（无限等待） 状态联系还是很紧密的，
比如Waiting（无限等待） 状态中wait方法是空参的，而timed waiting（计时等待） 中wait方法是带参的。
这种带参的方法，其实是一种倒计时操作，相当于我们生活中的小闹钟，我们设定好时间，到时通知，可是
如果提前得到（唤醒）通知，那么设定好时间在通知也就显得多此一举了，那么这种设计方案其实是一举两
得。如果没有得到（唤醒）通知，那么线程就处于Timed Waiting状态，直到倒计时完毕自动醒来；如果在倒
计时期间得到（唤醒）通知，那么线程从Timed Waiting状态立刻唤醒。

同步机制解决线程安全问题

针对多线程并发访问一个资源的安全性问题，Java中提供了同步机制(synchronized关键字)来解决。

同步机制的原理，其实就相当于给某段代码加“锁”，任何线程想要执行这段代码，都要先获得“锁”，我们称它为同步锁。因为Java对象在堆中的数据分为分为对象头、实例变量、空白的填充。而对象头中包含：

  • Mark Word：记录了和当前对象有关的GC、锁标记等信息。
  • 指向类的指针：每一个对象需要记录它是由哪个类创建出来的。
  • 数组长度（只有数组对象才有）

哪个线程获得了“同步锁”对象之后，”同步锁“对象就会记录这个线程的ID，这样其他线程就只能等待了，除非这个线程”释放“了锁对象，其他线程才能重新获得/占用”同步锁“对象。

同步代码块和同步方法

同步代码块：synchronized 关键字可以用于某个区块前面，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

synchronized(同步锁){
     需要同步操作的代码
}

同步方法：synchronized 关键字直接修饰方法，表示同一时刻只有一个线程能进入这个方法，其他线程在外面等着。

public synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
}

同步锁机制

对于并发工作，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源（其实就是共享资源竞争）。 防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它了。

synchronized关键字修饰的同步锁对象可以是任意类型，但是必须保证竞争“同一个共享资源”的多个线程必须使用同一个“同步锁对象”。

对于同步代码块来说，同步锁对象是由程序员手动指定的（很多时候也是指定为this或类名.class），但是对于同步方法来说，同步锁对象只能是默认的：

  • 静态方法：当前类的Class对象（类名.class）

  • 非静态方法：this

同步操作的思考顺序

1、如何找问题，即代码是否存在线程安全？（非常重要）
（1）明确哪些代码是多线程运行的代码
（2）明确多个线程是否有共享数据
（3）明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据

2、如何解决呢？（非常重要）
对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完，在执行过程中，其他线程不可以参与执行。
即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中

3、切记：

范围太小：不能解决安全问题

范围太大：因为一旦某个线程抢到锁，其他线程就只能等待，所以范围太大，效率会降低，不能合理利用CPU资源。

代码演示

示例一：静态方法加锁
class TicketSaleThread extends Thread{
    private static int ticket = 100;
    public void run(){//直接锁这里，肯定不行，会导致，只有一个窗口卖票
        while (ticket > 0) {
            saleOneTicket();
        }
    }

    public synchronized static void saleOneTicket(){//锁对象是TicketSaleThread类的Class对象，而一个类的Class对象在内存中肯定只有一个
        if(ticket > 0) {//不加条件，相当于条件判断没有进入锁管控，线程安全问题就没有解决
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}
public class SaleTicketDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();

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

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
示例二：非静态方法加锁
public class SaleTicketDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
        Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");
        Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");
        Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");

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

class TicketSaleRunnable implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    public void run() {//直接锁这里，肯定不行，会导致，只有一个窗口卖票
        while (ticket > 0) {
            saleOneTicket();
        }
    }

    public synchronized void saleOneTicket() {//锁对象是this，这里就是TicketSaleRunnable对象，因为上面3个线程使用同一个TicketSaleRunnable对象，所以可以
        if (ticket > 0) {//不加条件，相当于条件判断没有进入锁管控，线程安全问题就没有解决
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}
示例三：同步代码块
public class SaleTicketDemo5 {
    public static void main(String[] args) {
        //2、创建资源对象
        Ticket ticket = new Ticket();

        //3、启动多个线程操作资源类的对象
        Thread t1 = new Thread("窗口一") {
            public void run() {//不能给run()直接加锁，因为t1,t2,t3的三个run方法分别属于三个Thread类对象，
                // run方法是非静态方法，那么锁对象默认选this，那么锁对象根本不是同一个
                while (true) {
                    synchronized (ticket) {
                        ticket.sale();
                    }
                }
            }
        };
        Thread t2 = new Thread("窗口二") {
            public void run() {
                while (true) {
                    synchronized (ticket) {
                        ticket.sale();
                    }
                }
            }
        };
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                while (true) {
                    synchronized (ticket) {
                        ticket.sale();
                    }
                }
            }
        }, "窗口三");


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

//1、编写资源类
class Ticket {
    private int ticket = 1000;

    public void sale() {//也可以直接给这个方法加锁，锁对象是this，这里就是Ticket对象
        if (ticket > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        } else {
            throw new RuntimeException("没有票了");
        }
    }

    public int getTicket() {
        return ticket;
    }
}

单例设计模式的线程安全问题

饿汉式没有线程安全问题

饿汉式：在类初始化时就直接创建单例对象，而类初始化过程是没有线程安全问题的。在程序运行时，多个线程共用一个实例对象，每次只能有一个线程使用实例对象。

懒汉式线程安全问题

懒汉式：延迟创建对象，第一次调用getInstance方法再创建对象。在程序运行时，**多个线程可能同时调用getInstance方法，导致产生多个实例。**因此存在线程安全问题。

使用内部类实现单例模式

public class Singleton{
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance(){
        return Inner.INSTANCE;
    }
    
    private static class Inner{
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
}

内部类只有在外部类被调用才加载，产生INSTANCE实例；又不用加锁。

此模式具有之前两个模式的优点，同时屏蔽了它们的缺点，是最好的单例模式。

此时的内部类，使用enum进行定义，也是可以的。

死锁

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。

一旦出现死锁，整个程序既不会发生异常，也不会给出任何提示，只是所有线程处于阻塞状态，无法继续。

举例：

public class DeadLockDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Test a = new Test(true);
		Test b = new Test(false);

		Thread t1 = new Thread(a);
		Thread t2 = new Thread(b);

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

class Test implements Runnable {
	private boolean flag;

	public Test(boolean flag) {
		this.flag = flag;
	}

	public void run() {
		if (flag) {
			synchronized (MyLock.locka) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":if -----locka----");
				synchronized (MyLock.lockb) {
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":if -----lockb----");
				}
			}
		} else {
			synchronized (MyLock.lockb) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":else -----lockb----");
				synchronized (MyLock.locka) {
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":else -----locka----");
				}
			}
		}
	}
}

class MyLock {
	public static final Object locka = new Object();
	public static final Object lockb = new Object();
}

诱发死锁的原因：

  • 互斥条件
  • 占用且等待
  • 不可抢夺（或不可抢占）
  • 循环等待

以上4个条件，同时出现就会触发死锁。

解决死锁：

死锁一旦出现，基本很难人为干预，只能尽量规避。可以考虑打破上面的诱发条件。

针对条件1：互斥条件基本上无法被破坏。因为线程需要通过互斥解决安全问题。

针对条件2：可以考虑一次性申请所有所需的资源，这样就不存在等待的问题。

针对条件3：占用部分资源的线程在进一步申请其他资源时，如果申请不到，就主动释放掉已经占用的资源。

针对条件4：可以将资源改为线性顺序。申请资源时，先申请序号较小的，这样避免循环等待问题。

JDK5.0新特性：Lock(锁)

  • JDK5.0的新增功能，保证线程的安全。与采用synchronized相比，Lock可提供多种锁方案，更灵活、更强大。Lock通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。
  • java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。
  • 在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。
    • ReentrantLock类实现了 Lock 接口，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。
  • Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法，如下：
    • public void lock() :加同步锁。
    • public void unlock() :释放同步锁。
class A{
    //1. 创建Lock的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例
	private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
	public void m(){
        //2. 调动lock()，实现需共享的代码的锁定
		lock.lock();
		try{
			//保证线程安全的代码;
		}
		finally{
            //3. 调用unlock()，释放共享代码的锁定
			lock.unlock();  
		}
	}
}

注意：如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块。

synchronized与Lock的对比

  1. Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域、遇到异常等自动解锁
  2. Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁
  3. 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类），更体现面向对象。
  4. （了解）Lock锁可以对读不加锁，对写加锁，synchronized不可以
  5. （了解）Lock锁可以有多种获取锁的方式，可以从sleep的线程中抢到锁，synchronized不可以

说明：开发建议中处理线程安全问题优先使用顺序为：

• Lock ----> 同步代码块 ----> 同步方法

线程的通信

为什么要处理线程间通信：

当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行，那么多线程之间需要一些通信机制，可以协调它们的工作，以此实现多线程共同操作一份数据。

生产者消费者问题：线程A用来生产商品的，线程B用来购买商品的，商品可以理解为同一资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，此时B线程必须等到A线程完成后才能执行，那么线程A与线程B之间就需要线程通信，即—— 等待唤醒机制。

等待唤醒机制

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。

在一个线程满足某个条件时，就进入等待状态（wait() / wait(time)）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒（notify()）;或可以指定wait的时间，等时间到了自动唤醒；在有多个线程进行等待时，如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

  1. wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态是 WAITING 或 TIMED_WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即“通知（notify）”或者等待时间到，在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中
  2. notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；
  3. notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：

被通知的线程被唤醒后也不一定能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以它需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下：

  • 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE（可运行） 状态；
  • 否则，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED（等待锁） 状态

线程通信的例子：可实现多个线程交替打印1-100

class Communication implements Runnable {
    int i = 1;
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {
                notify();
                if (i <= 100) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++);
                } else
                    break;
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

调用wait和notify需注意的细节

  1. wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
  2. wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
  3. wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为：必须要通过锁对象调用这2个方法。否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常。

生产者与消费者问题

等待唤醒机制可以解决经典的“生产者与消费者”的问题。生产者与消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个（多个）共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。

生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

举例：
生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品(比如:20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。

生产者与消费者问题中其实隐含了两个问题：

  • 线程安全问题：因为生产者与消费者共享数据缓冲区，产生安全问题。不过这个问题可以使用同步解决。
  • 线程的协调工作问题： 要解决该问题，就必须让生产者线程在缓冲区满时等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到下次消费者消耗了缓冲区中的数据的时候，通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态，重新开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者线程在缓冲区空时进入等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态。通过这样的通信机制来解决此类问题。

代码实现：

public class ConsumerProducerTest {
	public static void main(String[] args) {
		Clerk clerk = new Clerk();
		Producer p1 = new Producer(clerk);
		
		Consumer c1 = new Consumer(clerk);
		Consumer c2 = new Consumer(clerk);
		
		p1.setName("生产者1");
		c1.setName("消费者1");
		c2.setName("消费者2");
		
		p1.start();
		c1.start();
		c2.start();
	}
}

//生产者
class Producer extends Thread{
	private Clerk clerk;
	
	public Producer(Clerk clerk){
		this.clerk = clerk;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		
		System.out.println("=========生产者开始生产产品========");
		while(true){
			
			try {
				Thread.sleep(40);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			
			//要求clerk去增加产品
			clerk.addProduct();
		}
	}
}

//消费者
class Consumer extends Thread{
	private Clerk clerk;
	
	public Consumer(Clerk clerk){
		this.clerk = clerk;
	}
	@Override
	public void run() {
		System.out.println("=========消费者开始消费产品========");
		while(true){
			
			try {
				Thread.sleep(90);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			
			//要求clerk去减少产品
			clerk.minusProduct();
		}
	}
}

//资源类
class Clerk {
	private int productNum = 0;//产品数量
	private static final int MAX_PRODUCT = 20;
	private static final int MIN_PRODUCT = 1;
	
	//增加产品
	public synchronized void addProduct() {
		if(productNum < MAX_PRODUCT){
			productNum++;
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + 
					"生产了第" + productNum + "个产品");
			//唤醒消费者
			this.notifyAll();
		}else{
			
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

	//减少产品
	public synchronized void minusProduct() {
		if(productNum >= MIN_PRODUCT){
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + 
					"消费了第" + productNum + "个产品");
			productNum--;
			
			//唤醒生产者
			this.notifyAll();
		}else{
			
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

区分sleep()和wait()

相同点：一旦执行，都会使得当前线程结束执行状态，进入阻塞状态。

不同点：

  1. 定义方法所属的类：sleep():Thread中定义。wait():Object中定义；
  2. 使用范围的不同：sleep()可以在任何需要使用的位置被调用； wait(): 必须使用在同步代码块或同步方法中；
  3. 都在同步结构中使用的时候，是否释放同步监视器的操作不同：sleep():不会释放同步监视器; wait():会释放同步监视器；
  4. 结束等待的方式不同：sleep()：指定时间一到就结束阻塞。 wait(): 可以指定时间也可以无限等待直到notify或notifyAll。

是否释放锁的操作

任何线程进入同步代码块、同步方法之前，必须先获得对同步监视器的锁定，那么何时会释放对同步监视器的锁定？

释放锁的操作
  • 当前线程的同步方法、同步代码块执行结束。
  • 当前线程在同步代码块、同步方法中遇到break、return终止了该代码块、该方法的继续执行。
  • 当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的Error或Exception，导致当前线程异常结束。
  • 当前线程在同步代码块、同步方法中执行了锁对象的wait()方法，当前线程被挂起，并释放锁。
不会释放锁的操作
  • 线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用Thread.sleep()、Thread.yield()方法暂停当前线程的执行。
  • 线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的suspend()方法将该该线程挂起，该线程不会释放锁（同步监视器）。

应尽量避免使用suspend()和resume()这样的过时来控制线程。

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