多线程
线程简介
任务与多任务
进程线程
- 说起进程,就不得不说下程序,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,而是一个静态的概念
- 而进程则是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
- 通常在一个进程中可以包含若干个线程,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
注意: 很多多线程都是模拟出来的,真正的多线程是指由多个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,后台也会有很多个线程,如主线程,gc线程
- 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紧密相关的,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
- 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,内存控制不当会造成数据不一致
线程实现
线程创建
Thread class
- 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
Runnable接口
- 定义MyRunnable类实现Runnable接口
- 实现run()方法,编写线程执行体
- 创建线程对象,调用start()烦啊启动线程
继承ThreadL类和实现Runnable接口的区别:
继承Thread类:
子类继承Thread类具备的多线程类
启动线程:子类对象.start()
不建议使用: 避免OOP单继承局限性
实现Runnable接口:
实现Runnable接口具备多线程能力
启动线程:传入目标对象+Thread对象.start()
推荐使用:避免单继承局限性,灵活方便,方便同一个对象被多个线程使用
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:ExecutorSerivice ser = Executors.newFixedThreadPool(1);
- 提交执行:Future< Boolean > result1 = ser.submit(t1);
- 获取结果:boolean r1 = result1.get();
- 关闭服务:ser.shutdownNow();
静态代理
Lambda表达式
- λ : 希腊字母表中排序第是一位的字母,英语名称为Lambda
- 避免匿名内部类定义过多
- 其实质属于函数式编程的概念
为什么要使用Lambda表达式:
- 避免匿名内部类定义过多
- 可以让你的代码看起来很简洁
- 丢掉了一堆没用意义的代码,只留下核心的逻辑
-
理解Functional Interface(函数式接口)是学习Java8 lambda表达式的关键所在
-
函数式接口的定义:
-
任何接口如果只包含唯一一个抽象方法,那么它就是一个函数式接口
如:
public interface Runnable{ public abstract void run(); } -
对于函数式接口,我们可以通过lambda表达式来创建该接口的对象
-
线程状态
五大状态
创建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态、死亡状态
线程方法
| 方法 | 说明 |
|---|---|
| setPriority(int newPriority) | 更改线程的优先级 |
| static void sleep(long millins) | 在指定的好描述内让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,并执行其他线程 |
| void interrupt() | 中断线程,(不建议使用) |
| boolean isAlive() | 测试线程是否处于活动状态 |
停止线程
- 不推荐使用JDK提供的stop(),destroy方法(已废弃)
- 推荐线程自己停止下来
- 建议使用一个标志位进行终止变量,当flag=false时,终止线程运行
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,sleep不会释放锁
线程礼让
-
礼让线程,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
在执行过程中是一个线程执行,其余线程处于就绪状态等待执行,而正在执行的线程中如果存在礼让语句,则会使正在执行的线程返回到就绪状态,让CPU重新调度选择执行哪一个程序,若还是选择了公共执行的那个程序,则礼让失败,否则成功
线程强制执行
- 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
- 可以看成是插队
线程状态观测
Thread.State
线程状态,线程可以处于以下状态之一:
-
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线程处于此状态
-
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动作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
一个线程可以再给定时间点处于一个状态,这些状态是不反映任何操作系统线程状态的虚拟机状态
线程优先级
-
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哪个线程来执行
-
线程的优先级用数字来表示,范围从1-10
Thread.MIN_PRIORITY = 1;
Thread.MAX_PRIORITY = 10;
Thread.NORM_PRIORITY = 5;
-
使用以下方法获取或改变优先级
获取优先级: getPriority()
改变优先级: setPriority(int xxx)
-
优先级低只是意味着被CPU调度的几率低,不代表不会被调用
守护线程
- 线程分为用户线程和守护线程(daemon)
- 虚拟机必须确保用户线程执行完毕
- 虚拟不用等待守护线程执行完毕,如:后台记录操作日志,监控内存,垃圾回收等待等…
线程同步
同步:多个线程操作同一个资源
并发:同一个对象被多个线程使用
形成条件
队列+锁
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它所有需要此锁的线程挂起
-
在多线程竞争下,加锁和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
-
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,直到该方法返回才释放锁,后面被阻塞的线程才能获得这个锁,继续执行
缺陷: 若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率
方法里面需要修改的地方才需要锁,锁的太多会造成资源浪费
同步块
- 同步块:synchronized(Obj){}
- Obj被称之为同步监视器
- 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,因为同步方法的听同步监视器就是this,就是这个对象本身,或者就是class(详情参考反射)
- 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
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
死锁避免方法
产生死锁的四个必要条件
- 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: 进程已获得的资源,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邓艾资源关系
上面列出了产生死锁的四个条件,只需要解决一个或多个条件就可以避免死锁问题的发生
Lock(锁)
- 从JDK5.0开始,Java提供了更强大的线程同步机制-------通过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
synchronized与Lock的对比
-
Lock是显式锁(需要手动开启手动关闭,不要忘记关闭!),而synchronized是隐式锁,出了作用域之后自动释放
-
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)
-
优先使用顺序:
Lock>同步代码块(已经进入了方法体,分配了相应资源)>同步方法(在方法体之外)
线程通信问题
生产者消费问题
应用场景:生产者和消费者文体
- 假设仓库中只能存放一件产品,生产者将生产出来的产品放入仓库,消费者将仓库中的产品取走消费
- 如果仓库中没有产品,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位置
- 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
分析:
这是一个线程同步问题,生产者和消费者在共享同一个资源,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,而生产了产品之后,又需要马上通知消费者使用
- 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)
- synchronized可阻止并发更新同一个共享资源,实现了同步
- Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题
| 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,优先级别高的线程先调度 |
注意: 这四个方法均是Object类的方法,都只能在同步方法中或者同步代码块中使用,否则会抛出异常lllegalMonitorStateException
管程法
并发协作模式"生产者/消费者模式"–>管程法
- 生产者:负责生产数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
- 消费者:负责处理数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
- 缓冲区: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
信号灯法
并发协作模式"生产者/消费者模式"–>信号灯法
高级主题
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
- 好处:
- 提高响应速度(减少了新建线程的时间)
- 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
使用线程池
- JDK5.0起提供了线程池相关接口API:ExecutorService和Executors
- ExecutorService:真正的线程池接口,常见的子类ThreadPoolExecutor
- void execute(Runnable command):执行任务/命令,没有返回值,一般用来执行Runnable
- Futuresubmit(Callabletask):执行任务,有返回值,一般用来执行Callable
- void shutdown():关闭线程池
- Executors:工具类,线程池的工厂类,用于创建并返回不同类型的线程池