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Java多线程与并发编程_java多线程和并发编程

作者：木道寻08 | 2024-08-04 04:04:45

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java多线程和并发编程

1.多线程基础

1.1 线程相关概念

程序(program)：是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。简单的说:就是我们写的代码

进程:
1. 进程是指运行中的程序，比如我们使用QQ，就启动了一个进程，操作系统就会为该进程分配内存空间。当我们使用微信，又启动了一个进程，操作系统将为微信分配新的内存空间。
2. 进程是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是动态过程:有它自身的产生、存在和消亡的过程

线程：
1. 线程由进程创建的,是进程的一个实体
2. 一个进程可以拥有多个线程

其他相关概念：
        1. 单线程:同一个时刻，只允许执行一个线程
        2. 多线程:同一个时刻，可以执行多个线程，比如:一个qq进程，可以同时打开多个聊天窗口。
        3. 并发:同一个时刻,多个任务交替执行，造成一种“貌似同时”的错觉，简单的说,单核cpu实现的多任务就是并发。
        4. 并行:同一个时刻，多个任务同时执行。多核cpu可以实现并行。

1.2 线程基本使用

1.2.1 创建线程的两种方式

在java中线程来使用有两种方法。
1. 继承Thread类,重写run方法
2. 实现Runnable接口,重写run方法

1.2.2 线程应用案例1-继承Thread类：

        1) 请编写程序,开启一个线程，该线程每隔1秒。在控制台输出“啪瞄,我是小猫咪
        2) 对上题改进:当输出80次瞄瞄，我是小猫咪，结束该线程
        3) 使用JConsole 监控线程执行情况,并画出程序示意图!


 public class Thread01{
     public static void main(String[]args)throwsInterruptedException{
     //创建Cat对象，可以当做线程使用
        Cat cat = new Cat();
     //源码
    /*
     (1)
      public synchronized void start() {
         start0();
         }
      (2)
         //start0() 是本地方法，是JVM调用, 底层是c/c++实现
        //真正实现多线程的效果， 是start0(), 而不是 run
      private native void start0();
     */
 
     cat.start(); //启动线程-> 最终会执行 cat 的 run 方法
//cat.run();//run 方法就是一个普通的方法, 没有真正的启动一个线程，就会把run方法执行完毕，才向下执行
//说明: 当main线程启动一个子线程 Thread-0, 主线程不会阻塞, 会继续执行
//这时 主线程和子线程是交替执行..
System.out.println("主线程继续执行" + Thread.currentThread().getName());//名字 main
 for(int i = 0; i < 60; i++) {
     System.out.println("主线程 i=" + i);
     //让主线程休眠
     Thread.sleep(1000);
 } } }
 //说明
    //1. 当一个类继承了 Thread 类，该类就可以当做线程使用
    //2. 我们会重写 run方法，写上自己的业务代码
    //3. run Thread 类 实现了 Runnable 接口的run方法
    /* 
     @Override
     public void run() {
         if (target != null) {
         target.run();
     } }
    */
class Cat extends Thread {
 int times = 0;
 @Override
 public void run() {//重写 run 方法，写上自己的业务逻辑
    while (true) {
     //该线程每隔1秒。在控制台输出 “喵喵, 我是小猫咪”
     System.out.println("喵喵, 我是小猫咪" + (++times) + " 线程名=" +Thread.currentThread().getName());
//让该线程休眠1秒 ctrl+alt+t
 try {
     Thread.sleep(1000);
 } catch (InterruptedException e) {
     e.printStackTrace();
 }
     if(times == 80) {
     break; //当 times 到 80, 退出 while, 这时线程也就退出..
 } } } }

start() 方法调用start 0()方法后，该线程并不一定会立马执行，只是将线程变成了可运行状态。具体什么时候执行，取决于CPU，由CPU统一调度。

1.2.3 线程应用案例2-实现Runnable接口：

说明： 1. java是单继承的，在某些情况下一个类可能已经继承了某个父类,这时在用继承Thread类方法来创建线程显然不可能了。
2. java设计者们提供了另外一个方式创建线程，就是通过实现Runnable接口来创建线程
案例：
请编写程序,该程序可以每隔1秒。在控制台输出“hi!”,当输出10次后，自动退出。请使用实现Runnable接口的方式实现。这里底层使用了设计模式[代理模式] => 代码模拟实现Runnable接口开发线程的机制


 public class Thread02{
  public static void main(String[]args){
     Dog dog = new Dog();
     //dog.start();这里不能调用start
     //创建了Thread对象，把dog对象(实现Runnable),放入Thread
     Thread thread = new Thread(dog);
     thread.start();
       //Tiger tiger = new Tiger(); //实现了Runnable
       // ThreadProxy threadProxy = new ThreadProxy(tiger);
       // threadProxy.start();
  } }
 
 class Animal {
 }
 class Tiger extends Animal implements Runnable {
     @Override
     public void run() {
     System.out.println("老虎嗷嗷叫....");
 } }
 
 //线程代理类 , 模拟了一个极简的Thread类
 class ThreadProxy implements Runnable {//你可以把 Proxy 类当做 ThreadProxy
     private Runnable target = null;//属性，类型是 Runnable
     @Override
     public void run() {
         if (target != null) {
         target.run(); //动态绑定（运行类型 Tiger）
    } }
 
public ThreadProxy(Runnable target) {
     this.target = target;
 }
 public void start() {
     start0();//这个方法时真正实现多线程方法
}
 public void start0() {
     run();
 } }
 class Dog implements Runnable { //通过实现 Runnable 接口，开发线程
    int count = 0;
   @Override
   public void run() { //普通方法
    while (true) {
     System.out.println("小狗汪汪叫..hi" + (++count) + Thread.currentThread().getName());
 //休眠1秒
    try {
     Thread.sleep(1000);
    }catch(InterruptedExceptione){
     e.printStackTrace();
     }
     if(count==10){
     break;
 } } } }

1.2.4 线程使用应用案例-多线程执行

请编写一个程序,创建两个线程,一个线程每隔1秒输出“hello,world”,输出10次，退出，一个线程每隔1秒输出“hi”，输出5次退出.


 /**
 *@author
*@version1.0
 *main线程启动两个子线程
*/
 public class Thread03{
     public static void main(String[]args){
         T1 t1 = new T1();
        T2 t2 = new T2();
         Thread thread1 = new Thread(t1);
         Thread thread2 = new Thread(t2);
         thread1.start();//启动第 1 个线程
        thread2.start();//启动第 2 个线程
        //...
 } }
 class T1 implements Runnable {
     int count = 0;
     @Override
     public void run() {
         while (true) {
         //每隔1秒输出 “hello,world”,输出10次
    try {
         System.out.println("hello,world " + (++count));
         Thread.sleep(1000);
     } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
     }
         if(count == 60) {
         break;
} } } }
 class T2 implements Runnable {
     int count = 0;
     @Override
     public void run() {
     //每隔1秒输出 “hi”,输出5次
        while (true) {
         System.out.println("hi " + (++count));
     try {
         Thread.sleep(1000);
     } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
     }
         if(count == 50) {
     break;
 } } } }

线程理解:

1.3 继承Thread vs 实现Runnable的区别

1. 从java的设计来看，通过继承Thread或者实现Runnable接口来创建线程本质上没有区别,从jdk帮助文档我们可以看到Thread类本身就实现了Runnable接口
2. 实现Runnable接口方式更加适合多个线程共享一个资源的情况，并且避免了单继承的限制,建议使用Runnable
案例：[售票系统]，编程模拟三个售票窗口售票100,分别使用继承 Thread和实现 Runnable方式,并分析有什么问题?


/**
 * @author 
* @version 1.0
 * 使用多线程，模拟三个窗口同时售票100张
*/
 public class SellTicket {
     public static void main(String[] args) {
     //测试
 //SellTicket01 sellTicket01 = new SellTicket01();
 //SellTicket01 sellTicket02 = new SellTicket01();
// SellTicket01 sellTicket03 = new SellTicket01();
 //这里我们会出现超卖..
// sellTicket01.start();//启动售票线程
//sellTicket02.start();//启动售票线程
//sellTicket03.start();//启动售票线程
    System.out.println("===使用实现接口方式来售票=====");
     SellTicket02 sellTicket02 = new SellTicket02();
     new Thread(sellTicket02).start();//第 1 个线程-窗口
    new Thread(sellTicket02).start();//第 2 个线程-窗口
    new Thread(sellTicket02).start();//第 3 个线程-窗口
} }
 
 //使用Thread 方式
class SellTicket01 extends Thread {
     private static int ticketNum = 100;//让多个线程共享 ticketNum
     @Override
     public void run() {
         while (true) {
         if (ticketNum <= 0) {
     System.out.println("售票结束...");
     break;
     }
     //休眠50毫秒, 模拟
    try {
     Thread.sleep(50);
     } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
 }
     System.out.println("窗口 " + Thread.currentThread().getName() + " 售出一张票"
 + " 剩余票数="+(--ticketNum));
 } } }
 
 //实现接口方式
    class SellTicket02 implements Runnable {
     private int ticketNum = 100;//让多个线程共享 ticketNum
         @Override
         public void run() {
             while (true) {
             if (ticketNum <= 0) {
         System.out.println("售票结束...");
         break;
 }
 //休眠50毫秒, 模拟
    try {
         Thread.sleep(50);
 } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
 }
     System.out.println("窗口 " + Thread.currentThread().getName() + " 售出一张票"
 + " 剩余票数="+(--ticketNum));//1- 0--1--2
 } } }

1.4 线程终止

1.4.1 说明

1. 当线程完成任务后，会自动退出。
2. 还可以通过使用变量来控制run方法退出的方式停止线程，即通知方式

案例: 需求:启动一个线程t，要求在main线程中去停止线程t,请编程实现.

1.5 线程常用方法

1.5.1 常用方法第一组

1. setName //设置线程名称，使之与参数 name相同
2. getName //返回该线程的名称
3. start //使该线程开始执行;Java虚拟机底层调用该线程的start0方法
4. run //调用线程对象run方法;
5. setPriority //更改线程的优先级
6. getPriority //获取线程的优先级
7. sleep //在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠（暂停执行)
8. interrupt //中断线程

注意事项:
1. start底层会创建新的线程，调用run，run 就是一个简单的方法调用，不会启动新线程
2. 线程优先级的范围
3. interrupt，中断线程，但并没有真正的结束线程。所以一般用于中断正在休眠线程
4. sleep:线程的静态方法,使当前线程休眠

1.5.2 常用方法第二组

1. yield:线程的礼让。让出cpu，让其他线程执行，但礼让的时间不确定，所以也不一定礼让成功
2. join:线程的插队。插队的线程一旦插队成功，则肯定先执行完插入的线程所有的任务
案例: main线程创建一个子线程，每隔1s输出hello,输出20次,主线程每隔1秒，输出hi,输出20次.
要求: 两个线程同时执行，当主线程输出5次后，就让子线程运行完毕，主线程再继续,

1.5.3 用户线程和守护线程

1. 用户线程: 也叫工作线程，当线程的任务执行完或通知方式结束
2. 守护线程: 一般是为工作线程服务的，当所有的用户线程结束，守护线程自动结束
3. 常见的守护线程: 垃圾回收机制
案例: 如何将一个线程设置成守护线程

1.6 线程的生命周期

1.6.1 JDK 中用Thread.State 枚举表示了线程的几种状态

1.6.2 线程状态转换图

写程序查看线程状态:


public class ThreadState_{
 public static void main(String[]args)throwsInterruptedException{
     T t = new T();
     System.out.println(t.getName()+"状态"+t.getState());
     t.start();
    while (Thread.State.TERMINATED != t.getState()) {
     System.out.println(t.getName() + " 状态 " + t.getState());
     Thread.sleep(500);
 }
    System.out.println(t.getName() + " 状态 " + t.getState());
 } }
class T extends Thread {
     @Override
     public void run() {
         while (true) {
         for (int i = 0; i < 10; i++) {
         System.out.println("hi " + i);
         try {
             Thread.sleep(1000);
         } catch (InterruptedException e) {
        }}
      break;
 }}}

1.7 线程的同步

1.7.1 线程同步机制

1. 在多线程编程，一些敏感数据不允许被多个线程同时访问，此时就使用同步访问技术，保证数据在任何同一时刻，最多有一个线程访问，以保证数据的完整性。
2. 也可以这里理解:线程同步，即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作.

1.7.2 同步具体方法-Synchronized

3. 如何理解: 就好像某小伙伴上厕所前先把门关上(上锁),完事后再出来(解锁),那么其它小伙伴就可在使用厕所了

1.8 互斥锁

1.8.1 基本介绍

1. Java语言中，引入了对象互斥锁的概念，来保证共享数据操作的完整性。
2. 每个对象都对应于一个可称为“互斥锁”的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。
3. 关键字synchronized来与对象的互斥锁联系。当某个对象用synchronized修饰时,表明该对象在任一时刻只能由一个线程访问
4. 同步的局限性:导致程序的执行效率要降低
5. 同步方法(非静态的)的锁可以是this,也可以是其他对象(要求是同一个对象)
6. 同步方法(静态的)的锁为当前类本身。

案例： 使用互斥锁来解决售票问题


/**
 *@author
*@version1.0
 *使用多线程，模拟三个窗口同时售票100张
*/
 public class SellTicket{
     public static void main(String[]args){
 //测试
// SellTicket01sellTicket01=newSellTicket01();
 // SellTicket01sellTicket02=newSellTicket01();
 // SellTicket01sellTicket03=newSellTicket01();
 // //这里我们会出现超卖..
 // sellTicket01.start();//启动售票线程
//sellTicket02.start();//启动售票线程
//sellTicket03.start();//启动售票线程
//System.out.println("===使用实现接口方式来售票=====");
// SellTicket02 sellTicket02 = new SellTicket02();
// new Thread(sellTicket02).start();//第 1 个线程-窗口
//new Thread(sellTicket02).start();//第 2 个线程-窗口
//new Thread(sellTicket02).start();//第 3 个线程-窗口
 
//测试一把
SellTicket03 sellTicket03 = new SellTicket03();
 new Thread(sellTicket03).start();//第 1 个线程-窗口
new Thread(sellTicket03).start();//第 2 个线程-窗口
new Thread(sellTicket03).start();//第 3 个线程-窗口
}}
 
 //实现接口方式, 使用synchronized实现线程同步
class SellTicket03 implements Runnable {
     private int ticketNum = 100;//让多个线程共享 ticketNum
     private boolean loop = true;//控制 run 方法变量
     Object object = new Object();
//同步方法（静态的）的锁为当前类本身
//解读
//1. public synchronized static void m1() {} 锁是加在 SellTicket03.class
 // 2. 如果在静态方法中，实现一个同步代码块.
/*
    synchronized (SellTicket03.class) {
     System.out.println("m2");
     }
 */
 
 public synchronized static void m1() {
 }
 
 public static void m2() {
     synchronized (SellTicket03.class) {
     System.out.println("m2");
 } }
 
 //说明
//1. public synchronized void sell() {} 就是一个同步方法
//2. 这时锁在 this对象
//3. 也可以在代码块上写 synchronize,同步代码块, 互斥锁还是在this对象
public /*synchronized*/ void sell() { //同步方法, 在同一时刻， 只能有一个线程来执行sell方法
    synchronized (/*this*/ object) {
       if (ticketNum <= 0) {
       System.out.println("售票结束...");
     loop = false;
     return;
 }
     //休眠50毫秒, 模拟
    try {
         Thread.sleep(50);
     } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
     }
         System.out.println("窗口 " + Thread.currentThread().getName() + " 售出一张票"
 + " 剩余票数="+(--ticketNum));//1- 0--1--2
 } }
     @Override
     public void run() {
     while (loop) {
     sell();//sell 方法是一共同步方法
} }}
     //使用Thread 方式
    // new SellTicket01().start()
     // new SellTicket01().start();
 class SellTicket01 extends Thread {
     private static int ticketNum = 100;//让多个线程共享 ticketNum
// public void m1() {
 //synchronized (this) {
// System.out.println("hello");
// } }
    @Override
     public void run() {
         while (true) {
         if (ticketNum <= 0) {
         System.out.println("售票结束...");
         break;
     }
    //休眠50毫秒, 模拟
    try {
     Thread.sleep(50);
     } catch (InterruptedException e) {
     e.printStackTrace();
     }
     System.out.println("窗口 " + Thread.currentThread().getName() + " 售出一张票"
 + " 剩余票数="+(--ticketNum));
     } } }
 
 //实现接口方式
    class SellTicket02 implements Runnable {
         private int ticketNum = 100;//让多个线程共享 ticketNum
         @Override
         public void run() {
           while (true) {
             if (ticketNum <= 0) {
             System.out.println("售票结束...");
             break;
    }
         //休眠50毫秒, 模拟
    try {
         Thread.sleep(50);
     } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
     }
         System.out.println("窗口 " + Thread.currentThread().getName() + " 售出一张票"
 + " 剩余票数="+(--ticketNum));//1- 0--1--2
     } } }

1.8.2 注意事项

1. 同步方法如果没有使用static修饰:默认锁对象为this
2. 如果方法使用static修饰,默认锁对象:当前类.class
3. 实现的落地步骤:
        需要先分析上锁的代码
        选择同步代码块或同步方法
        要求多个线程的锁对象为同一个即可!

1.9 线程的死锁

1.9.1 基本介绍

多个线程都占用了对方的锁资源，但不肯相让，导致了死锁,在编程是一定要避免死锁的发生.
案例:


/**
 *@author
*@version1.0
 *模拟线程死锁
*/
 public class DeadLock_{
     public static void main(String[]args){
 //模拟死锁现象
    DeadLockDemo A = new DeadLockDemo(true);
         A.setName("A线程");
         DeadLockDemo B = new DeadLockDemo(false);
         B.setName("B线程");
         A.start();
         B.start();
 } }
 //线程
class DeadLockDemo extends Thread {
     static Object o1 = new Object();// 保证多线程，共享一个对象,这里使用static
     static Object o2 = new Object();
     boolean flag;
     public DeadLockDemo(boolean flag) {//构造器
        this.flag = flag;
 }
 @Override
     public void run() {
     //下面业务逻辑的分析
    //1. 如果flag 为 T, 线程A 就会先得到/持有 o1 对象锁, 然后尝试去获取 o2 对象锁
    //2. 如果线程A 得不到 o2 对象锁，就会Blocked
    //3. 如果flag 为 F, 线程B 就会先得到/持有 o2 对象锁, 然后尝试去获取 o1 对象锁
     //4. 如果线程B 得不到 o1 对象锁，就会Blocked
 if (flag) {
    synchronized (o1) {//对象互斥锁, 下面就是同步代码
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入 1");
     synchronized (o2) { // 这里获得 li 对象的监视权
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入 2");
 } }
 } else {
    synchronized (o2) {
     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入 3");
     synchronized (o1) { // 这里获得 li 对象的监视权
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入 4");
 } } } } }

1.10 释放锁

1.10.1 下面操作会释放锁

1. 当前线程的同步方法、同步代码块执行结束        案例:上厕所，完事出来
2. 当前线程在同步代码块、同步方法中遇到break、return。        案例:没有正常的完事,经理叫他修改bug,不得已出来
3. 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，导致异常结束案例:没有正常的完事,发现忘带纸,不得已出来
4. 当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的wait()方法，当前线程暂停，并释
放锁。        案例:没有正常完事，觉得需要酝酿下，所以出来等会再进去

1.10.2 下面操作不会释放锁

1. 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,不会释放锁案例:上厕所，太困了，在坑位上眯了一会
2. 线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的suspend()方法将该线程挂起，该线程不会释放锁。提示:应尽量避免使用suspend()和resume()来控制线程，方法不再推荐使用

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