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关于 Java 多线程

java 多线程

Java 给多线程编程提供了内置的支持。 一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。多线程是多任务的一种特别的形式,但多线程使用了更小的资源开销。多线程能满足程序员编写高效率的程序来达到充分利用 CPU 的目的。本节主要讲解 Java 多线程的一些概念以及其实现。

  • 多线程
  • 线程变量
  • 线程同步
  • Lock 与 Unlock
  • 死锁
  • 线程生命周期
  • ArrayBlockingQueue
  • 生产者消费者模式
  • 线程池

线程:程序执行流的最小单元。它是进程内一个相对独立的、可调度的执行单元,是系统独立调度和分派 CPU 的基本单位。

如同大自然中的万物,线程也有“生老病死”的过程,下图表示了一个线程从创建到消亡的过程,以及过程中的状态。

结合线程的生命周期来看看多线程的定义:

多线程:从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作。

在 Java 中,垃圾回收机制就是通过一个线程在后台实现的,这样做的好处在于:开发者通常不需要为内存管理投入太多的精力。反映到我们现实生活中,在浏览网页时,浏览器能够同时下载多张图片;实验楼的服务器能够容纳多个用户同时进行在线实验,这些都是多线程带来的好处。

从专业的角度来看,多线程编程是为了最大限度地利用 CPU 资源——当处理某个线程不需要占用 CPU 而只需要利用 IO 资源时,允许其他的那些需要 CPU 资源的线程有机会利用 CPU。这或许就是多线程编程的最终目的。当然,你也可以进一步了解。

对于多线程和线程之间的关系,你可以这样理解:一个使用了多线程技术的程序,包含了两条或两条以上并发运行的线程(Thread

Java 中的Thread类就是专门用来创建线程和操作线程的类。

创建线程

创建线程的方法:

  1. 继承 Thread 类并重写它的run()方法,然后用这个子类来创建对象并调用start()方法。
  2. 定义一个类并实现 Runnable 接口,实现run()方法

总的来说就是线程通过 start()方法启动而不是 run()方法,run()方法的内容为我们要实现的业务逻辑

编程示例

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public class CreateThread {

public static void main(String[] args) {
Thread1 thread1 = new Thread1();
//声明一个Thread1对象,这个Thread1类继承自Thread类的

Thread thread2 = new Thread(new Thread2());
//传递一个匿名对象作为参数

thread1.start();
thread2.start();
//启动线程
}
}

class Thread1 extends Thread {
@Override
public void run() {
//在run()方法中放入线程要完成的工作

//这里我们把两个线程各自的工作设置为打印100次信息
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
System.out.println("Hello! This is " + i);
}

//在这个循环结束后,线程便会自动结束
}
}

class Thread2 implements Runnable {
//与Thread1不同,如果当一个线程已经继承了另一个类时,就建议你通过实现Runnable接口来构造

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
System.out.println("Thanks. There is " + i);
}
}
}

你在控制台就可以看到两个线程近似交替地在输出信息。受到系统调度的影响,两个线程输出信息的先后顺序可能不同。

线程变量

ThreadLocal,即线程变量,是一个以 ThreadLocal 对象为键、任意对象为值的存储结构。这个结构被附带在线程上,也就是说一个线程可以根据一个 ThreadLocal 对象查询到绑定在这个线程上的一个值。
可以通过 set(T)方法来设置一个值,在当前线程下再通过 get()方法获取到原先设置的值。

示例代码:

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public class ThreadLocalDemo {

public static void main(String[] args) {
ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
//启动2个线程
new Thread(threadDemo).start();
new Thread(threadDemo).start();

}
}

class ThreadDemo implements Runnable {
//使用ThreadLocal提供的静态方法创建一个线程变量 并且初始化值为0
private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
//get方法获取线程变量值
Integer integer = threadLocal.get();
integer += 1;
//set方法设置线程变量值
threadLocal.set(integer);
System.out.println(integer);
}
}
}

通过输出控制台的结果我们可以看到,两个线程之间的变量互不干涉

线程共享变量

如果我们去掉了ThreadLocal,其他的流程都不改变,已经使用2个线程自增变量会如何呢?

修改ThreadLoacalDemo.java

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public class ThreadLocalDemo {

public static void main(String[] args) {
ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
new Thread(threadDemo).start();
new Thread(threadDemo).start();

}
}

class ThreadDemo implements Runnable {
private Integer integer = 0;

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
integer++;
System.out.println(integer);
}
}
}

在没有加入 ThreadLocal 的情况下,发现 integer 变量的值增加到了 20,那是因为这个时候两个线程都是使用同一对象threadDemo的变量,这个时候的 integer 就变成了线程共享变量,如果同学们多运行几次,还有可能出现最后结果是 18 19 的情况,那是因为如果不做任何处理,线程共享变量都不是线程安全的,也就是说在多线程的情况下,共享变量有可能会出错

线程同步

当多个线程操作同一个对象时,就会出现线程安全问题,被多个线程同时操作的对象数据可能会发生错误。线程同步可以保证在同一个时刻该对象只被一个线程访问。

Synchronized

关键字 synchronized 可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用,它确保多个线程在同一个时刻,只能有一个线程处于方法或者同步块中,保证了线程对变量访问的可见性和排他性。它有三种使用方法:

  • 对普通方式使用,将会锁住当前实例对象
  • 对静态方法使用,将会锁住当前类的Class对象
  • 对代码块使用,将会锁住代码块中的对象

使用示例

在下面的代码中, 演示了三种加锁方式.

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public class SynchronizedDemo {
private static Object lock = new Object();

public static void main(String[] args) {
//同步代码块 锁住lock
synchronized (lock) {
//doSomething
}
}

//静态同步方法 锁住当前类class对象
public synchronized static void staticMethod(){

}
//普通同步方法 锁住当前实例对象
public synchronized void memberMethod() {

}
}

java.util.concurrent

java.util.concurrent 包是 java5 开始引入的并发类库,提供了多种在并发编程中的适用工具类。包括原子操作类,线程池,阻塞队列,Fork/Join 框架,并发集合,线程同步锁等。

Lock 与 Unlock

JUC 中的 ReentrantLock 是多线程编程中常用的加锁方式,ReentrantLock 加锁比 synchronized 加锁更加的灵活,提供了更加丰富的功能。

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import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockDemo {
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
//需要同步的代码块
System.out.println("线程1加锁");
}finally {
// 一定要在finally中解锁,否则可能造成死锁
lock.unlock();
System.out.println("线程1解锁");
}
});
thread1.start();
Thread thread2 = new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
System.out.println("线程2加锁");
}finally {
lock.unlock();
System.out.println("线程2解锁");
}
});
thread2.start();
}

}

在上面的编程实例中,线程 1 获取了 lockA 的锁后再去获取 lockB 的锁,而此时 lockB 已经被线程 2 获取,同时线程 2 也想获取 lockA,两个线程进这样僵持了下去,谁也不让,造成了死锁。在编程时,应该避免死锁的出现。

饥饿

饥饿是指一个可运行的进程尽管能继续执行,但被调度器无限期地忽视,而不能被调度执行的情况
比如当前线程处于一个低优先级的情况下,操作系统每次都调用高优先级的线程运行,就会导致当前线程虽然可以运行,但是一直不能被运行的情况。

线程生命周期

线程的声明周期共有 6 种状态,分别是:新建New、运行(可运行)Runnable、阻塞Blocked、计时等待Timed Waiting、等待Waiting和终止Terminate。

当你声明一个线程对象时,线程处于新建状态,系统不会为它分配资源,它只是一个空的线程对象
调用start()方法时,线程就成为了可运行状态,至于是否是运行状态,则要看系统的调度了
调用了sleep()方法、调用wait()方法和 IO 阻塞时,线程处于等待、计时等待或阻塞状态。
当run()方法执行结束后,线程也就终止了。

示例

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public class ThreadState implements Runnable {

public synchronized void waitForAMoment() throws InterruptedException {

wait(500);
//使用wait()方法使当前线程等待500毫秒
//或者等待其他线程调用notify()或notifyAll()方法来唤醒
}

public synchronized void waitForever() throws InterruptedException {

wait();
//不填入时间就意味着使当前线程永久等待,
//只能等到其他线程调用notify()或notifyAll()方法才能唤醒
}

public synchronized void notifyNow() throws InterruptedException {

notify();
//使用notify()方法来唤醒那些因为调用了wait()方法而进入等待状态的线程
}

@Override
public void run() {

//这里用异常处理是为了防止可能的中断异常
//如果任何线程中断了当前线程,则抛出该异常

try {
waitForAMoment();
// 在新线程中运行waitMoment()方法

waitForever();
// 在新线程中运行waitForever()方法

} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

实现代码示例:

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public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ThreadState state = new ThreadState();
//声明并实例化一个ThreadState对象

Thread thread = new Thread(state);
//利用这个名为state的ThreadState对象来创建Thread对象

System.out.println("Create new thread: " + thread.getState());
//使用getState()方法来获得线程的状态,并进行输出

thread.start();
//使用thread对象的start()方法来启动新的线程

System.out.println("Start the thread: " + thread.getState());
//输出线程的状态

Thread.sleep(100);
//通过调用sleep()方法使当前这个线程休眠100毫秒,从而使新的线程运行waitForAMoment()方法

System.out.println("Waiting for a moment (time): " + thread.getState());
//输出线程的状态

Thread.sleep(1000);
//使当前这个线程休眠1000毫秒,从而使新的线程运行waitForever()方法

System.out.println("Waiting for a moment: " + thread.getState());
//输出线程的状态

state.notifyNow();
// 调用state的notifyNow()方法

System.out.println("Wake up the thread: " + thread.getState());
//输出线程的状态

Thread.sleep(1000);
//使当前线程休眠1000毫秒,使新线程结束

System.out.println("Terminate the thread: " + thread.getState());
//输出线程的状态
}
}

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是由数组支持的有界阻塞队列.位于java.util.concurrent包下

首先看看其构造方法:

构造方法 描述
public ArrayBlockingQueue(int capacity) 构造大小为capacity的队列
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) 指定队列大小,以及内部实现是公平锁还是非公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c) 指定队列大小, 以及锁实现, 并且在初始化是加入集合c

入队常用方法:

入队方法 队列已满 队列未满
add 抛出异常 返回true
offer 返回false 返回true
put 阻塞直到插入 没有返回值

出队常用方法:

出队方法 队列为空 队列不为空
remove 抛出异常 移出并返回队首
poll 返回null 移出并返回队首
take 阻塞直到返回 移出并返回队首

示例源码:

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import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

public class ABQDemo {
//构建大小为10的阻塞队列
private static ArrayBlockingQueue<Integer> arrayBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(10);

public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
arrayBlockingQueue.add(i);
}
});
thread1.start();
try {
//等待线程1执行完毕
thread1.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
new Thread(() -> {
//如果插入失败
if (!arrayBlockingQueue.offer(11)) {
System.out.println("插入元素11失败");
}
try {
//一直阻塞直到插入元素11,注意这里阻塞的不是主线程,main方法还是继续运行
arrayBlockingQueue.put(11);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

}).start();
Thread thread2=new Thread(() -> {
Integer element;
System.out.println("开始出队:");
//打印队列中的元素
while ((element = arrayBlockingQueue.poll()) != null) {
System.out.print("\t"+element);
}
});
thread2.start();
}
}

生产者消费者模式

生产者消费者模式是多线程编程中非常重要的设计模式,生产者负责生产数据,消费者负责消费数据。生产者消费者模式中间通常还有一个缓冲区,用于存放生产者生产的数据,而消费者则从缓冲区中获取,这样可以降低生产者和消费者之间的耦合度。举个例子来说吧,比如有厂家,代理商,顾客,厂家就是生产者,顾客就是消费者,代理商就是缓冲区,顾客从代理商这里买东西,代理商负责从厂家处拿货,并且销售给顾客,顾客不用直接和厂家打交道,并且通过代理商,就可以直接获取商品,或者从代理商处知道货物不足,需要等待。

示例代码:

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import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class PCModel {
private static LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

public static void main(String[] args){
// 生产者
Thread provider = new Thread(()-> {
// 执行代码块
Random random = new Random();
for (int j = 0; j < 5; j++){
try{
int i = random.nextInt();
// 直到插入数据
queue.put(i);
System.out.println("生产数据:"+ i);
Thread.sleep(1000);// 睡眠程序
} catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();// 抛出异常
}
}
});
// 消费者
Thread consumer = new Thread(()->{
Integer data;
for (int i = 0; i < 5; i++){
try{
// 阻塞直到取出数据
data = queue.take();
System.out.println("消费数据:"+data);
Thread.sleep(1000);
} catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
});

// 启动线程
provider.start();
consumer.start();
}
}

线程池

线程池(英语:thread pool):一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销,进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程,等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用,还能防止过分调度。

由于Java创建和销毁线程都会带来资源上的销毁,所以线程池可以帮助我们复用线程,减少资源消耗

Java 线程池可以通过 Executors 工具类创建,Executors 常用方法:

  • newFixedThreeadPoo(int nThreads); 创建一个固定大小为n的线程池
  • newSingleThreadExecutor(); 创建只有一个线程的线程池
  • newCachedThreadPool(); 创建一个根据需要创建新线程的线程池

示例代码:

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import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolDemo {
//使用Executors 创建一个固定大小为5的线程池
private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

public static void main(String[] args) {
// 提交任务
executorService.submit(() -> {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.print(i + " ");
}
});
//停止线程池 并不会立即关闭 ,而是在线程池中的任务执行完毕后才关闭
executorService.shutdown();
}
}

除了使用Executors工具类帮助我们创建之外,也可以直接创建线程池

示例代码:

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import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadPoolDemo2 {
private static ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(
5, //核心线程数为5
10,//最大线程数为10
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,//非核心线程存活时间
new LinkedBlockingQueue<>());//任务队列

public static void main(String[] args) {
//提交任务
executorService.submit(() -> {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.print(i + " ");
}
});
//关闭线程池
executorService.shutdown();
}
}
文章作者: Depravity-pig
文章链接: https://magicconch17.github.io/2019/12/23/java-%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B-2019-12-23/
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