简介
程序:是指令和数据的有序集合,其本身没有任何运行的含义,是一个静态的概念。
进程:执行程序的一次执行过程,它是一个动态的概念,是系统资源分配的单位。
线程:通常在一个进程中可以包含若干个进程,当然一个进程中至少有一个线程,不然没有存在的意义。线程是CPU调度和执行的单位。
多线程:多条执行路径,主线程和子线程并行交替执行。很多多线程是模拟出来的,真正的多线程是指有多个CPU,即多核,如服务器。如果是模拟出来的多线程,即在一个CPU的情况下,在同一个时间点,CPU只能执行一个代码,因为切换的很快,所以就有同时执行的错觉。
- 线程就是独立的执行路径
- 在程序运行时,即使没有自己创建线程,后台也会有多个线程,如主线程,gc线程(负责垃圾回收)
- main()称之为主线程,为系统的入口,用于执行整个程序
- 在一个进程中,如果开辟了多个线程,线程的运行由调度器安排调度,调度器是与操作系统密切相关的,先后顺序是不能人为干预的
- 对同一份资源操作时,会存在资源抢夺的问题,需要加入并发控制(如抢票问题,需要让线程排队)
- 线程会带来额外的开销,如CPU调度时间,并发控制开销
- 每个线程在自己的工作内存交互,内存控制不会造成数据不一致
线程
线程创建
方法一: Thread class -> 继承Thread类
- 自定义线程类继承Thread类
- 重写run()方法,编写线程执行体
创建线程对象,调用start()方法启动线程
不建议使用:避免OOP单继承局限性
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public class Test15 extends Thread {
@Override public void run() { for(int i = 0; i < 200; i++) { System.out.println("看书" + i); } }
public static void main(String[] args) { Test15 test15 = new Test15(); test15.start();
for(int i = 0; i < 200; i++) { System.out.println("刷剧" + i); } } }
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方法二: Runnable接口 -> 实现Runnable接口
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| public class Test16 implements Runnable {
@Override public void run() { for(int i = 0; i < 200; i++) { System.out.println("看书" + i); } }
public static void main(String[] args) { Test16 test16 = new Test16();
new Thread(test16).start();
for(int i = 0; i < 200; i++) { System.out.println("追剧" + i); } } }
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方法三: Callable接口 -> 实现Callable接口
- 实现Callable接口,需要返回值类型
- 重写call方法,需要抛出异常
- 创建目标对象
- 创建执行服务:ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1);
- 提交执行:Futureresult1 = ser.submit(t1);
- 获取结果:boolean r1 = result1.get();
- 关闭服务:ser.shutdownNow();
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public class Test17 implements Callable<Boolean> { private String url; private String name;
public Test17(String url, String name) { this.url = url; this.name = name; }
@Override public Boolean call() throws Exception { WebDownloader webDownloader = new WebDownloader(); webDownloader.downloader(url, name); System.out.println("下载图片名为:" + name); return true; }
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { Test17 t1 = new Test17("http://kmlerc.coding-pages.com/images/head.JPG", "1.jpg"); Test17 t2 = new Test17("https://www5.jiumodiary.com/images/front/eleps.png", "2.png"); Test17 t3 = new Test17("https://pic.cnblogs.com/avatar/1569506/20190731001716.png", "3.png");
ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1);
Future<Boolean> result1 = ser.submit(t1); Future<Boolean> result2 = ser.submit(t2); Future<Boolean> result3 = ser.submit(t3);
boolean r1 = result1.get(); boolean r2 = result2.get(); boolean r3 = result3.get();
System.out.println(r1 + " " + r2 + " " + r3);
ser.shutdownNow(); } }
class WebDownloader { public void downloader(String url, String name) { try { FileUtils.copyURLToFile(new URL(url), new File(name)); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); System.out.println("IO异常,downloader方法出现问题"); } } }
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线程状态分析
- Thread t = new Thread() 线程对象一旦创建就进入到新生状态
- 当调用start()方法,线程立即进入就绪状态,但不意味着立即调度执行
- 进入运行状态,线程才真正执行线程体的代码块
- 当调用sleep,wait或同步锁定时,线程进入阻塞状态,就是代码不往下执行,阻塞事件解除后,重新进入就绪状态,等待cpu调度执行
- 线程中断或者结束,一旦进入死亡状态,就不能再次启动
线程方法
方法 |
说明 |
setPriority(int newPriority) |
更改线程的优先级 |
static void sleep(long millis) |
在指定毫秒数内让当前正在执行的线程休眠 |
void join() |
等待该线程终止 |
static void yield() |
暂停当前正在执行的线程对象,并执行线程其他线程 |
void interrupt() |
中断线程,别用这个方式 |
boolean isAlive() |
测试线程是否处于活动状态 |
线程停止
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public class Test20 implements Runnable { private boolean flag = true;
@Override public void run() { int i = 0; while(flag) { System.out.println("run...Thread" + ++i); } }
public void stop() { this.flag = false; }
public static void main(String[] args) { Test20 test20 = new Test20();
new Thread(test20).start();
for(int i = 0; i < 1000; i++) { System.out.println("main" + i); if(i == 999){ test20.stop(); System.out.println("线程停止了"); } } } }
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线程休眠
- sleep(时间)指定当前线程阻塞的毫秒数
- sleep存在异常InterruptedException
- sleep时间达到后线程进入就绪状态
- sleep可以模拟网络延时,倒计时等
- 每一个对象都有一个锁,slepp不会释放锁
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| public class Test21 { public static void getTime() throws InterruptedException { Date date = new Date(System.currentTimeMillis());
while(true) { System.out.println(new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(date)); Thread.sleep(1000); date = new Date(System.currentTimeMillis()); } }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { getTime(); } }
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线程礼让
- 让当前正在执行的线程暂停,但不阻塞
- 将线程从运行状态转为就绪状态
- 让cpu重新调度,礼让不一定成功!看cpu心情
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| public class Test22 { public static void main(String[] args) { MyYield myYield = new MyYield(); new Thread(myYield, "a").start(); new Thread(myYield, "b").start(); } }
class MyYield implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始运行"); Thread.yield(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "停止运行"); } }
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线程强制执行(插队)
- Join合并线程,待此线程完成后,再执行其他线程,其他线程阻塞
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| public class Test23 implements Runnable { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 200; i++) { System.out.println("vip线程" + i); } }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Test23 test23 = new Test23(); Thread thread = new Thread(test23); thread.start();
for(int i = 0; i < 500; i++) { if(i == 200) { thread.join(); } System.out.println("main" + i); } } }
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线程状态观测
Thread.State: 线程状态
- NEW 尚未启动的线程处于此状态
- RUNNABLE 在Java虚拟机中执行的线程处于此状态
- BLOCKED 被阻塞等待监视器锁定的处于此状态
- WAITING 正在等待另一个线程执行特定动作的线程处于此状态
- TIMED_WAITING 正在等待另一个线程执行达到指定等待时间的线程处于此状态
- TERMINATED 已退出的线程处于此状态
一个线程可以在给定时间点处于一个状态。这些状态是不反应任何操作系统线程状态的虚拟机状态。
线程的优先级
- Java提供一个线程调度器来监控程序中启动后进入就绪状态的所有线程,线程调度器按照优先级决定应该调度那个线程来执行
- 线程的优先级用数字表示,范围从1-10
- Thread.MIN_PRIORITY = 1
- Thread.MAX_PRIORITY = 10
- Thread.NORM_PRIORITY = 5
- 使用 getPriority() 获取优先级
- 使用 setPriority(int x) 改变优先级
守护(daemon)线程
- 线程分为用户线程和守护线程
- 虚拟机必须确保用户线程执行完毕
- 虚拟机不必等待守护线程执行完毕
- 如:后台记录操作日志,监控内存,垃圾回收等等…
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| public class Test24 { public static void main(String[] args) { God god = new God(); People people = new People();
Thread thread = new Thread(god); thread.setDaemon(true); thread.start();
new Thread(people).start(); } }
class God implements Runnable { @Override public void run() { while(true) { System.out.println("上帝保佑人类"); } } }
class People implements Runnable { @Override public void run() { for(int i = 0; i < 30000; i++) { System.out.println("人类开心的活着"); } System.out.println("Goodbye, world!"); } }
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线程同步(多个线程操作同一个资源)
处理多线程问题时,多个线程访问同一个对象(并发问题),并且某些线程还想修改这个对象,这时候就需要线程同步。线程同步其实就是一种等待机制,多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列,等待前面线程使用完毕,下一个线程再使用。
由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间,在带来方便的同时,也带来了访问冲突问题,为了保证数据在方法中被访问时的正确性,在访问时加入锁机制synchronized,当一个线程获得对象的排它锁,独占资源,其他线程必须等待,使用后释放锁即可,存在以下问题:
- 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起
- 在多线程竞争下,加锁,释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题
- 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁,会导致优先级倒置,引起性能问题
同步方法及同步块
由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问,所以我们只需要针对方法提出一套机制,这套机制就是synchronized关键字,它包括两种用法:synchronized方法和synchronized块。
- 同步方法:public synchronized void method(int args){}
synchronized方法控制对”对象”的访问,每个对象对应一把锁,每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行,否则线程会阻塞。方法一旦执行,就独占该锁,直到方法返回才释放锁,后面被阻塞的线程才能获得这个锁,继续执行。
- 缺陷:若将一个大的方法声明为synchronized将会影响效率
同步块:synchronized(Obj) {}
Obj称之为同步监视器
- Obj可以是任何对象,但是推荐使用共享资源作为同步监视器
- 同步方法中无需指定同步监视器,因为同步方法的同步监视器就是this,就是这个对象本身,或者是class
同步监视器的执行过程
- 第一个线程访问,锁定同步监视器,执行其中代码
- 第二个线程访问,发现同步监视器被锁定,无法访问
- 第一个线程访问完毕,解锁同步监视器
- 第二个线程访问,发现同步监视器没有锁,然后锁定并访问
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| public class Test25 { public static void main(String[] args) { BuyTicket buyTicket = new BuyTicket(); new Thread(buyTicket, "小米").start(); new Thread(buyTicket, "小明").start(); new Thread(buyTicket, "小红").start(); } }
class BuyTicket implements Runnable { private int ticketNums = 100; boolean flag = true;
@Override public void run() { while (flag) { try { buy(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }
private synchronized void buy() throws InterruptedException { if(ticketNums <= 0) { flag = false; return ; } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到" + ticketNums--); } class BuyTicket1 implements Runnable { private int ticketNums = 100000; boolean flag = true;
@Override public void run() { while (flag) buy(); }
private void buy() { synchronized (this) { if(ticketNums <= 0) { flag = false; return ; } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到" + ticketNums--); } } } }
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死锁
多个线程各自占有一些共享资源,并且互相等待其他线程占有的资源才能运行,而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源,都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时,就可能会发生”死锁“的问题。
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| public class Test26 { public static void main(String[] args) { Makeup q1 = new Makeup(0, "小明"); Makeup q2 = new Makeup(1, "小红"); q1.start(); q2.start(); } }
class Gun {} class Dog {}
class Makeup extends Thread { static Gun gun = new Gun(); static Dog dog = new Dog();
int choice; String name;
Makeup(int choice, String name) { this.choice = choice; this.name = name; }
@Override public void run() { try { makeup(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }
private void makeup() throws InterruptedException { if (choice == 0) { synchronized(gun) { System.out.println(this.name + "获得枪的锁"); Thread.sleep(1000);
} synchronized(dog) { System.out.println(this.name + "获得狗的锁"); } } else if (choice == 1) { synchronized(dog) { System.out.println(this.name + "获得狗的锁"); Thread.sleep(2000);
} synchronized(gun) { System.out.println(this.name + "获得枪的锁"); } } } }
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死锁产生的四个必要条件(只需要破解其中一个即可解决死锁问题):
- 互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用
- 请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放
- 不剥夺条件:进程以获得的资源,在未使用完之前,不能强行剥夺
- 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系
Lock锁
- Lock是显式锁(手动开启和关闭锁),synchronized是隐式锁,出了作用域自动释放
- Lock只有代码块锁,synchronized有代码块锁和方法锁
- 使用Lock锁,JVM将花费较少时间来调度线程,性能更好,并且具有更好的拓展性(提供更多子类)
- 优先使用顺序:Lock > 同步代码块 > 同步方法
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public class Test27 { public static void main(String[] args) { BuyTicket1 buyTicket1 = new BuyTicket1(); new Thread(buyTicket1).start(); new Thread(buyTicket1).start(); new Thread(buyTicket1).start(); } }
class BuyTicket1 implements Runnable { int TicketNums = 10;
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override public void run() { while (true) { try { lock.lock(); if(TicketNums > 0) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(TicketNums--); } else { break; } } finally { lock.unlock(); } } } }
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静态代理模式
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public class Test18 {
public static void main(String[] args) { new Thread( () -> System.out.println("我爱你") ).start(); new Company(new You()).HappyMarry(); } }
interface Marry { void HappyMarry(); }
class You implements Marry { @Override public void HappyMarry() { System.out.println("新郎结婚中。。。"); } }
class Company implements Marry { private Marry target;
public Company(Marry target) { this.target = target; }
@Override public void HappyMarry() { before(); this.target.HappyMarry(); after(); }
public void before() { System.out.println("布置场地"); }
public void after() { System.out.println("收拾场地"); } }
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生产者消费者模式
应用场景:生产者和消费者问题
- 假设仓库只能存放一件商品,生产者将生产出来的产品放入仓库,消费者将仓库中产品消费取走。
- 如果仓库没有商品,则生产者将产品放入仓库,否则停止生产并等待,直到仓库中的产品被消费者取走为止
- 如果仓库中放有产品,则消费者可以将产品取走消费,否则停止消费并等待,直到仓库中再次放入产品为止
这是一个线程同步问题,生产者和消费者共享一个资源,并且生产者和消费者之间相互依赖,互为条件。
- 对于生产者,没有生产产品之前,要通知消费者等待。而生产之后,又需要通知消费者消费
- 对于消费者,在消费之后,要通知生产者已经结束消费,需要生产新的产品以供消费
- 在生产者消费者问题中,仅有synchronized是不够的
- synchronized可以阻止并发更新同一个共享资源,实现了同步
- synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)
Java提供了几个方法解决线程通信问题
方法名 |
作用 |
wait() |
表示线程一直等待,直到其他线程通知,与sleep不同,会释放锁 |
wait(long timeout) |
指定等待的毫秒数 |
notify() |
唤醒一个处于等待状态的线程 |
notifyAll() |
唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程,优先级别高的线程优先调度 |
注意:均是Object类的方法,都只能在同步方法或者同步代码块中使用,否则会抛出异常IllegalMonitorStateException
管程法
消费者不能直接使用生产者的数据,他们之间有个“缓冲区”
生产者将生产好的数据放入缓冲区,消费者从缓冲区拿出数据
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| public class Test28 { public static void main(String[] args) { SynContainer container = new SynContainer();
new Productor(container).start(); new Consumer(container).start(); } }
class Productor extends Thread { SynContainer container;
public Productor(SynContainer container) { this.container = container; }
@Override public void run() { for(int i = 0; i < 100; i++) { System.out.println("生产了" + i + "个产品"); try { container.push(new Product(i)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }
class Consumer extends Thread { SynContainer container;
public Consumer (SynContainer container) { this.container = container; }
@Override public void run() { for(int i = 0; i < 100; i++) { try { System.out.println("消费了-->" + container.pop().id + "产品"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }
class Product { public int id;
public Product(int id) { this.id = id; } }
class SynContainer { Product[] products = new Product[10]; int count = 0;
public synchronized void push(Product product) throws InterruptedException { if(count == products.length) { this.wait(); }
products[count] = product; count++;
this.notifyAll(); }
public synchronized Product pop() throws InterruptedException { if(count == 0) { this.wait(); }
count--; Product product = products[count];
this.notifyAll();
return product; } }
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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。
- 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
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| public class Test29 { public static void main(String[] args) { ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
service.execute(new MyThread()); service.execute(new MyThread()); service.execute(new MyThread()); service.execute(new MyThread());
service.shutdown(); } }
class MyThread implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName()); } }
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lambda表达式
为什么要使用lambda表达式:
- 避免匿名内部类定义过多
- 让代码更加简洁
- 去掉了没有意义的代码,只留下核心逻辑
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| public class Test19 { static class Like2 implements ILike { @Override public void lambda() { System.out.println("I like lambda2"); } }
public static void main(String[] args) { ILike like = new Like1(); like.lambda();
like = new Like2(); like.lambda();
class Like3 implements ILike { @Override public void lambda() { System.out.println("I like lambda3"); } } like = new Like3(); like.lambda();
like = new ILike() { @Override public void lambda() { System.out.println("I like lambda4"); } }; like.lambda();
like = () -> { System.out.println("I like lambda5"); }; like.lambda();
ILove love = null;
love = (a, b) -> System.out.println("I like lambda " + a + " "+ b); love.lambda(20, 10);
} }
interface ILike { void lambda(); }
class Like1 implements ILike { @Override public void lambda() { System.out.println("I like lambda1"); } }
interface ILove { void lambda(int a,int b); }
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