Java高级编程—多线程

基本概念

Java的内存模型

在这里插入图片描述
一个进程有一个方法区和一个堆;一个线程有一个虚拟机栈和一个程序计数器;多个线程共享进程的方法区和堆。

  • 线程
    • 若一个进程同一时间并行执行多个线程,就是支持多线程的
    • 线程作为调度和执行的单位,每个线程拥有独立的运行栈程序计数器(pc),线程切换的开销小
    • 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间它们从同一堆中分配对象,可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患
    • 一个Java程序至少有3个线程:main()主线程、gc()垃圾回收线程、异常处理线程
  • 使用多线程的优点
    • 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义,可增强用户体验
    • 提高计算机系统CPU的利用率
    • 改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程,独立运行,利于理解和修改
  • 何时需要多线程
    • 程序需要同时执行两个或多个任务
    • 程序需要实现一些需要等待的任务时,如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等
    • 需要一些后台运行的程序时

线程的创建和API

API中创建线程的两种方式

JDK1.5之前有两种方法:1.继承Thread类的方式;2.实现Runnable接口的方式

线程的执行流程:创建线程——启动线程(start())——调度run()(调度时机由OS的CPU调度决定)

:一个线程对象只能调用一次start()方法启动,如果重复调用,则抛出“IllegalThreadStateException”异常

实现Runnable接口方式的好处

  1. 避免了单继承的局限性;
  2. 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。(比如卖票)

Thread类常用方法

  • void start(): 启动线程,并执行对象的run()方法
  • run(): 线程在被调度时执行的操作
  • String getName(): 返回线程的名称
  • void setName(String name):设置该线程名称
  • static Thread currentThread(): 返回当前线程。在Thread子类中就是this,通常用于主线程和Runnable实现类
  • static void yield():线程让步。暂停当前正在执行的线程,把执行机会让给优先级相同或更高的线程;若队列中没有同优先级的线程,忽略此方法( 此时这个线程也可以再去竞争资源,让步了、但没完全让步)
  • join() :当某个程序执行流中调用其他线程的 join() 方法时,调用线程将被阻塞,直到 join() 方法加入的 join 线程执行完为止。(会抛出InterruptedException异常)低优先级的线程也可以获得执行(与yield的不同)
  • static void sleep(long millis):(指定时间:毫秒)
    • 令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU控制,使其他线程有机会被执行,时间到后重排队
    • 会抛出InterruptedException异常
  • stop(): 强制线程生命期结束,不推荐使用
  • boolean isAlive():返回boolean,判断线程是否还活着

Java中线程的调度和优先级

基本调度策略:时间片轮转调度

抢占式调度:高优先级的线程抢占CPU

Java的调度方法:同优先级线程组成先进先出队列(先到先服务),使用时间片策略;对高优先级,使用优先调度的抢占式策略

  • Java线程的优先级等级:
    • MAX_PRIORITY:10;
    • MIN _PRIORITY:1
    • NORM_PRIORITY:5
    • getPriority() :返回当前线程优先值
    • setPriority(int newPriority) :改变线程的优先级

注:1.线程创建时继承父线程的优先级;2.低优先级只是获得调度的概率低,并非一定是在高优先级线程之后才被调用

Java中线程的分类

Java中的线程有两类:1.守护线程;2.用户线程

两者唯一区别:判断JVM何时离开! 守护线程是用来服务用户线程的(荣国在start()方法前调用thread.setDaemon(true)可以把一个用户线程变成一个守护线程)

Java垃圾回收就是一个典型的守护线程,如果JVM中只剩下了守护线程,当前JVM就会退出(因为没有需要服务的用户线程了)

形象理解:兔死狗烹,鸟尽弓藏

线程的生命周期

线程在一个完整的生命周期中通常有五种状态:新建(NEW)、就绪(WAITING)、运行(RUNNABLE)、阻塞(BLOCKED)、死亡(TERMINATED)
在这里插入图片描述

线程的同步

多线程安全问题产生原因:当多条语句在操作同一个线程共享数据时,一个线程对多条语句只执行了一部分,还没有执行完,另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。

解决办法: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。(原子操作)

同步机制(synchronized)实现同步

Java对于多线程的安全问题提供的解决方法:同步机制
1.同步代码块:

synchronized(同步监视器(俗称锁)){
	//需要被同步的代码;
}
注:任何一个类的对象,都可以充当锁
要求:多个线程必须要共用同一把锁(即用同一个对象,可以使用this/Window.class)

2.synchronized还可以放在方法声明中,表示整个方法为同步方法。操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中。eg:public synchronized void show (String name) { }
//在同步方法中,同步监视器就是this,所以继承Thread类方式的新建线程对于同步方法最好设置为静态,不然就会是多个锁(因为一般都是新建不同的对象,不像实现Runnable接口一般是一个对象共享用)
//同步方法仍然涉及到同步监视器,只是不需要显式声明;
//非静态同步方法,同步监视器:this
//静态的同步方法,同步监视器:当前类本身

同步的好处:解决了线程的安全问题
同步的局限性:操作同步代码时,只能由一个线程参与,其他线程等待,相当于是一个单线程
同步可能导致的问题:死锁

单例模式懒汉式的线程安全

class Bank{
    private static Bank instance = null;
    private Bank(){}
    public static Bank getInstance(){
        //效率较差
//        synchronized (Bank.class){
//            if (instance==null) instance = new Bank();
//        }
//        return instance;

        //方式二:效率较高,门口再立一个牌子,如果不为空就不用进入到线程同步的那段代码了
        if(instance==null){
            synchronized (Bank.class){
                if (instance==null) instance = new Bank();
            }
        }
        return instance;
    }
}

Lock锁实现同步(JDK5.0新增)

Lock锁: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

ReentrantLock类实现了Lock,它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义,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

class Window implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    //1.实例化ReentrantLock
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                //2.调用锁定方法lock()
                lock.lock();
                if (ticket>0){
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":卖票,票号为:"+ticket);
                    ticket--;
                }else{
                    break;
                }
            } finally {
                //解锁
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

synchronized和lock方法的不同点:
1.synchronized机制在执行完相应的同步代码以后,自动的释放同步监视器;而Lock需要手动的启动同步,同时手动的结束同步。
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)
4.优先使用顺序:Lock——>同步代码块(已经进入方法体,分配了相应资源)——>同步方法(在方法体之外)

如何解决线程的安全问题?有几种方式
synchronized和lock

线程的通信

JDK5.0新增线程创建方式

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