20、Java中的多线程

1.实现多线程

1.1进程和线程

• 进程：是正在运行的程序

  ​ 是系统进行资源分配和调用的独立单位

  ​ 每一个进程都有它自己的内存空间和系统资源

• 线程：是进程中的单个顺序控制流，是一条执行路径

  ​ 单线程：一个进程如果只有一条执行路径，则称为单线程程序

  ​ 多线程：一个进程如果有多条执行路径，则称为多线程程序

1.2实现多线程方式一：继承Thread类

• 方法介绍

  方法名	说明
  void run()	在线程开启后，此方法将被调用执行
  void start()	使此线程开始执行，Java虚拟机会调用run方法()

• 实现步骤

  • 定义一个类MyThread继承Thread类

  • 在MyThread类中重写run()方法

  • 创建MyThread类的对象

  • 启动线程

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0; i<100; i++) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}
public class MyThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread my1 = new MyThread();
        MyThread my2 = new MyThread();

//        my1.run();
//        my2.run();

        //void start() 导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法
        my1.start();
        my2.start();
    }
}

• 两个小问题

  • 为什么要重写run()方法？

    因为run()是用来封装被线程执行的代码

  • run()方法和start()方法的区别？

    run()：封装线程执行的代码，直接调用，相当于普通方法的调用

    start()：启动线程；然后由JVM调用此线程的run()方法

1.3设置和获取线程名称

• 方法介绍

  方法名	说明
  void setName(String name)	将此线程的名称更改为等于参数name
  String getName()	返回此线程的名称
  Thread currentThread()	返回对当前正在执行的线程对象的引用

public class MyThread extends Thread {
    public MyThread() {}
    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName()+":"+i);
        }
    }
}
public class MyThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread my1 = new MyThread();
        MyThread my2 = new MyThread();

        //void setName(String name)：将此线程的名称更改为等于参数 name
        my1.setName("高铁");
        my2.setName("飞机");

        //Thread(String name)
        MyThread my1 = new MyThread("高铁");
        MyThread my2 = new MyThread("飞机");

        my1.start();
        my2.start();

        //static Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

1.4线程优先级

• 线程调度

  • 两种调度方式

    • 分时调度模型：所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间片

    • 抢占式调度模型：优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个，优先级高的线程获取的 CPU 时间片相对多一些

  • Java使用的是抢占式调度模型

  • 随机性

    假如计算机只有一个 CPU，那么 CPU 在某一个时刻只能执行一条指令，线程只有得到CPU时间片，也就是使用权，才可以执行指令。所以说多线程程序的执行是有随机性，因为谁抢到CPU的使用权是不一定的

• 优先级相关方法

  方法名	说明
  final int getPriority()	返回此线程的优先级
  final void setPriority(int newPriority)	更改此线程的优先级 线程默认优先级是5；线程优先级的范围是：1-10

public class ThreadPriority extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
        }
    }
}
public class ThreadPriorityDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPriority tp1 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp2 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp3 = new ThreadPriority();

        tp1.setName("高铁");
        tp2.setName("飞机");
        tp3.setName("汽车");

        //public final int getPriority()：返回此线程的优先级
        System.out.println(tp1.getPriority()); //5
        System.out.println(tp2.getPriority()); //5
        System.out.println(tp3.getPriority()); //5

        //public final void setPriority(int newPriority)：更改此线程的优先级
//        tp1.setPriority(10000); //IllegalArgumentException
        System.out.println(Thread.MAX_PRIORITY); //10
        System.out.println(Thread.MIN_PRIORITY); //1
        System.out.println(Thread.NORM_PRIORITY); //5

        //设置正确的优先级
        tp1.setPriority(5);
        tp2.setPriority(10);
        tp3.setPriority(1);

        tp1.start();
        tp2.start();
        tp3.start();
    }
}

1.5线程控制

• 相关方法

  方法名	说明
  static void sleep(long millis)	使当前正在执行的线程停留（暂停执行）指定的毫秒数
  void join()	等待这个线程死亡
  void setDaemon(boolean on)	将此线程标记为守护线程，当运行的线程都是守护线程时，Java虚拟机将退出

sleep演示：
public class ThreadSleep extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
public class ThreadSleepDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadSleep ts1 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts2 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts3 = new ThreadSleep();

        ts1.setName("曹操");
        ts2.setName("刘备");
        ts3.setName("孙权");

        ts1.start();
        ts2.start();
        ts3.start();
    }
}

Join演示：
public class ThreadJoin extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
        }
    }
}
public class ThreadJoinDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadJoin tj1 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj2 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj3 = new ThreadJoin();

        tj1.setName("康熙");
        tj2.setName("四阿哥");
        tj3.setName("八阿哥");

        tj1.start();
        try {
            tj1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        tj2.start();
        tj3.start();
    }
}

Daemon演示：
public class ThreadDaemon extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
        }
    }
}
public class ThreadDaemonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDaemon td1 = new ThreadDaemon();
        ThreadDaemon td2 = new ThreadDaemon();

        td1.setName("关羽");
        td2.setName("张飞");

        //设置主线程为刘备
        Thread.currentThread().setName("刘备");

        //设置守护线程
        td1.setDaemon(true);
        td2.setDaemon(true);

        td1.start();
        td2.start();

        for(int i=0; i<10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
        }
    }
}

1.6线程的生命周期

​ 线程一共有五种状态，线程在各种状态之间转换。

1.7实现多线程方式二：实现Runnable接口

• Thread构造方法

  方法名	说明
  Thread(Runnable target)	分配一个新的Thread对象
  Thread(Runnable target, String name)	分配一个新的Thread对象

• 实现步骤

  • 定义一个类MyRunnable实现Runnable接口

  • 在MyRunnable类中重写run()方法

  • 创建MyRunnable类的对象

  • 创建Thread类的对象，把MyRunnable对象作为构造方法的参数

  • 启动线程

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0; i<100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
        }
    }
}
public class MyRunnableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建MyRunnable类的对象
        MyRunnable my = new MyRunnable();

        //创建Thread类的对象，把MyRunnable对象作为构造方法的参数
        //Thread(Runnable target)
//        Thread t1 = new Thread(my);
//        Thread t2 = new Thread(my);
        //Thread(Runnable target, String name)
        Thread t1 = new Thread(my,"高铁");
        Thread t2 = new Thread(my,"飞机");

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

• 多线程的实现方案有两种

  • 继承Thread类

  • 实现Runnable接口

• 相比继承Thread类，实现Runnable接口的好处

  • 避免了Java单继承的局限性

  • 适合多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况，把线程和程序的代码、数据有效分离，较好的体现了面向对象的设计思想

2.线程同步

2.1卖票

• 案例需求

  某电影院目前正在上映国产大片，共有100张票，而它有3个窗口卖票，请设计一个程序模拟该电影院卖票

• 实现步骤

  • 定义一个类SellTicket实现Runnable接口，里面定义一个成员变量：private int tickets = 100;

  • 在SellTicket类中重写run()方法实现卖票，代码步骤如下

  • 判断票数大于0，就卖票，并告知是哪个窗口卖的

  • 卖了票之后，总票数要减1

  • 票没有了，也可能有人来问，所以这里用死循环让卖票的动作一直执行

  • 定义一个测试类SellTicketDemo，里面有main方法，代码步骤如下

  • 创建SellTicket类的对象

  • 创建三个Thread类的对象，把SellTicket对象作为构造方法的参数，并给出对应的窗口名称

  • 启动线程

public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    //在SellTicket类中重写run()方法实现卖票，代码步骤如下
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (tickets > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                tickets--;
            }
        }
    }
}
public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建SellTicket类的对象
        SellTicket st = new SellTicket();

        //创建三个Thread类的对象，把SellTicket对象作为构造方法的参数，并给出对应的窗口名称
        Thread t1 = new Thread(st,"窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st,"窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st,"窗口3");

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

执行结果

2.2卖票案例的问题

• 卖票出现了问题

  • 相同的票出现了多次

  • 出现了负数的票

• 问题产生原因

  线程执行的随机性导致的

public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;

    @Override
    public void run() {
        //相同的票出现了多次
//        while (true) {
//            //tickets = 100;
//            //t1,t2,t3
//            //假设t1线程抢到CPU的执行权
//            if (tickets > 0) {
//                //通过sleep()方法来模拟出票时间
//                try {
//                    Thread.sleep(100);
//                    //t1线程休息100毫秒
//                    //t2线程抢到了CPU的执行权，t2线程就开始执行，执行到这里的时候，t2线程休息100毫秒
//                    //t3线程抢到了CPU的执行权，t3线程就开始执行，执行到这里的时候，t3线程休息100毫秒
//                } catch (InterruptedException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
//                //假设线程按照顺序醒过来
//                //t1抢到CPU的执行权，在控制台输出：窗口1正在出售第100张票
//                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
//                //t2抢到CPU的执行权，在控制台输出：窗口2正在出售第100张票
//                //t3抢到CPU的执行权，在控制台输出：窗口3正在出售第100张票
//                tickets--;
//                //如果这三个线程还是按照顺序来，这里就执行了3次--的操作，最终票就变成了97
//            }
//        }

        //出现了负数的票
        while (true) {
            //tickets = 1;
            //t1,t2,t3
            //假设t1线程抢到CPU的执行权
            if (tickets > 0) {
                //通过sleep()方法来模拟出票时间
                try {
                    Thread.sleep(100);
                    //t1线程休息100毫秒
                    //t2线程抢到了CPU的执行权，t2线程就开始执行，执行到这里的时候，t2线程休息100毫秒
                    //t3线程抢到了CPU的执行权，t3线程就开始执行，执行到这里的时候，t3线程休息100毫秒
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //假设线程按照顺序醒过来
                //t1抢到了CPU的执行权，在控制台输出：窗口1正在出售第1张票
                //假设t1继续拥有CPU的执行权，就会执行tickets--;操作，tickets = 0;
                //t2抢到了CPU的执行权，在控制台输出：窗口1正在出售第0张票
                //假设t2继续拥有CPU的执行权，就会执行tickets--;操作，tickets = -1;
                //t3抢到了CPU的执行权，在控制台输出：窗口3正在出售第-1张票
                //假设t2继续拥有CPU的执行权，就会执行tickets--;操作，tickets = -2;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                tickets--;
            }
        }
    }
}

2.3同步代码块解决数据安全问题

• 安全问题出现的条件

  • 是多线程环境

  • 有共享数据

  • 有多条语句操作共享数据

• 如何解决多线程安全问题呢?

  • 基本思想：让程序没有安全问题的环境

• 怎么实现呢?

  • 把多条语句操作共享数据的代码给锁起来，让任意时刻只能有一个线程执行即可

  • Java提供了同步代码块的方式来解决

• 同步代码块格式：

synchronized(任意对象) { 
	多条语句操作共享数据的代码 
}

• synchronized(任意对象)：就相当于给代码加锁了，任意对象就可以看成是一把锁

• 同步的好处和弊端

  • 好处：解决了多线程的数据安全问题

  • 弊端：当线程很多时，因为每个线程都会去判断同步上的锁，这是很耗费资源的，无形中会降低程序的运行效率

public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    private Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //tickets = 100;
            //t1,t2,t3
            //假设t1抢到了CPU的执行权
            //假设t2抢到了CPU的执行权
            synchronized (obj) {
                //t1进来后，就会把这段代码给锁起来
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                        //t1休息100毫秒
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //窗口1正在出售第100张票
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                    tickets--; //tickets = 99;
                }
            }
            //t1出来了，这段代码的锁就被释放了
        }
    }
}

public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket st = new SellTicket();

        Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

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

2.4同步方法解决数据安全问题

• 同步方法的格式

  同步方法：就是把synchronized关键字加到方法上

修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) { 
	方法体；
}

• 同步方法的锁对象是什么呢?

  ​ this

• 静态同步方法

  同步静态方法：就是把synchronized关键字加到静态方法上

修饰符 static synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) { 
	方法体；
}

同步静态方法的锁对象是什么呢?

​ 类名.class

public class SellTicket implements Runnable {
    private static int tickets = 100;
    private int x = 0;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
			sellTicket()；
    	}
    }
//    同步方法
//    private synchronized void sellTicket() {
//        if (tickets > 0) {
//            try {
//                Thread.sleep(100);
//            } catch (InterruptedException e) {
//                e.printStackTrace();
//            }
//            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
//            tickets--;
//        }
//    }
    
//  静态同步方法
    private static synchronized void sellTicket() {
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
            tickets--;
        }
    }
}

public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket st = new SellTicket();

        Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

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

2.5线程安全的类

• StringBuffer

  • 线程安全，可变的字符序列

  • 从版本JDK 5开始，被StringBuilder 替代。 通常应该使用StringBuilder类，因为它支持所有相同的操作，但它更快，因为它不执行同步

• Vector

  • 从Java 2平台v1.2开始，该类改进了List接口，使其成为Java Collections Framework的成员。 与新的集合实现不同， Vector被同步。 如果不需要线程安全的实现，建议使用ArrayList代替Vector

• Hashtable

  • 该类实现了一个哈希表，它将键映射到值。 任何非null对象都可以用作键或者值

  • 从Java 2平台v1.2开始，该类进行了改进，实现了Map接口，使其成为Java Collections Framework的成员。 与新的集合实现不同， Hashtable被同步。 如果不需要线程安全的实现，建议使用HashMap代替Hashtable

/*
    线程安全的类：
        StringBuffer
        Vector
        Hashtable
 */
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        StringBuilder sb2 = new StringBuilder();

        Vector<String> v = new Vector<String>();
        ArrayList<String> array = new ArrayList<String>();

        Hashtable<String,String> ht = new Hashtable<String, String>();
        HashMap<String,String> hm = new HashMap<String, String>();

        //static <T> List<T> synchronizedList​(List<T> list) 返回由指定列表支持的同步（线程安全）列表
        List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());
    }
}

2.6Lock锁

虽然我们可以理解同步代码块和同步方法的锁对象问题，但是我们并没有直接看到在哪里加上了锁，在哪里释放了锁，为了更清晰的表达如何加锁和释放锁，JDK5以后提供了一个新的锁对象Lock

Lock是接口不能直接实例化，这里采用它的实现类ReentrantLock来实例化

• ReentrantLock构造方法

  方法名	说明
  ReentrantLock()	创建一个ReentrantLock的实例

• 加锁解锁方法

  方法名	说明
  void lock()	获得锁
  void unlock()	释放锁

public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                lock.lock();
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                    tickets--;
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}
public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket st = new SellTicket();

        Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

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

3.生产者消费者

3.1生产者和消费者模式概述

• 概述

  生产者消费者模式是一个十分经典的多线程协作的模式，弄懂生产者消费者问题能够让我们对多线程编程的理解更加深刻。

  所谓生产者消费者问题，实际上主要是包含了两类线程：

  ​ 一类是生产者线程用于生产数据

  ​ 一类是消费者线程用于消费数据

  为了解耦生产者和消费者的关系，通常会采用共享的数据区域，就像是一个仓库

  生产者生产数据之后直接放置在共享数据区中，并不需要关心消费者的行为

  消费者只需要从共享数据区中去获取数据，并不需要关心生产者的行为

• Object类的等待和唤醒方法

  方法名	说明
  void wait()	导致当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 notify()方法或 notifyAll()方法
  void notify()	唤醒正在等待对象监视器的单个线程
  void notifyAll()	唤醒正在等待对象监视器的所有线程

3.2生产者和消费者案例

• 案例需求

  生产者消费者案例中包含的类：

  奶箱类(Box)：定义一个成员变量，表示第x瓶奶，提供存储牛奶和获取牛奶的操作

  生产者类(Producer)：实现Runnable接口，重写run()方法，调用存储牛奶的操作

  消费者类(Customer)：实现Runnable接口，重写run()方法，调用获取牛奶的操作

  测试类(BoxDemo)：里面有main方法，main方法中的代码步骤如下

  ①创建奶箱对象，这是共享数据区域

  ②创建消费者创建生产者对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递，因为在这个类中要调用存储牛奶的操作

  ③对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递，因为在这个类中要调用获取牛奶的操作

  ④创建2个线程对象，分别把生产者对象和消费者对象作为构造方法参数传递

  ⑤启动线程

public class Box {
    //定义一个成员变量，表示第x瓶奶
    private int milk;
    //定义一个成员变量，表示奶箱的状态
    private boolean state = false;

    //提供存储牛奶和获取牛奶的操作
    public synchronized void put(int milk) {
        //如果有牛奶，等待消费
        if(state) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果没有牛奶，就生产牛奶
        this.milk = milk;
        System.out.println("送奶工将第" + this.milk + "瓶奶放入奶箱");

        //生产完毕之后，修改奶箱状态
        state = true;

        //唤醒其他等待的线程
        notifyAll();
    }

    public synchronized void get() {
        //如果没有牛奶，等待生产
        if(!state) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果有牛奶，就消费牛奶
        System.out.println("用户拿到第" + this.milk + "瓶奶");

        //消费完毕之后，修改奶箱状态
        state = false;

        //唤醒其他等待的线程
        notifyAll();
    }
}

public class Producer implements Runnable {
    private Box b;

    public Producer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    @Override
    public void run() {
        for(int i=1; i<=30; i++) {
            b.put(i);
        }
    }
}

public class Customer implements Runnable {
    private Box b;

    public Customer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            b.get();
        }
    }
}

public class BoxDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建奶箱对象，这是共享数据区域
        Box b = new Box();

        //创建生产者对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递，因为在这个类中要调用存储牛奶的操作
        Producer p = new Producer(b);
        //创建消费者对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递，因为在这个类中要调用获取牛奶的操作
        Customer c = new Customer(b);

        //创建2个线程对象，分别把生产者对象和消费者对象作为构造方法参数传递
        Thread t1 = new Thread(p);
        Thread t2 = new Thread(c);

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}