Java深入学习：多线程详解

Posted 2020-11-15 xuyiqing

多线程目的：在同一时刻有多条不同路径执行程序，提高程序运行效率

多线程应用：数据库连接池，多线程文件下载等

 

注意：在文件下载中使用多线程，无法提高速度

在一个进程中，一定会有主线程

 

从基础开始，多线程的使用方式：

1.继承Thread类：（不推荐）

public class ThreadDemo extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        //写入线程执行的代码
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
        threadDemo.start();
    }
}

注意：threadDemo调用的是start方法；如果调用了run方法，本质上还是单线程

2.实现Runnable接口：

public class ThreadDemo implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        //写入线程执行的代码
        System.out.println("demo");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
        new Thread(threadDemo).start();
    }
}

 

3.匿名内部类

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                //写入线程执行的代码
            }
        }.start();
    }
}

Java8可以简写为这样

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            //写入线程执行的代码
        }).start();
    }
}

 

多线程的状态：

1.新建状态：调用start方法之前

2.就绪状态：调用start方法，等待CPU分配执行权

3.运行状态：执行run方法中的代码

4.死亡状态：run方法执行完毕

5.阻塞状态：调用wait或sleep方法，线程变为阻塞状态，阻塞状态可以直接变成就绪状态

 

守护线程：

在Java程序中，有主线程和GC线程（用于回收垃圾），主线程死亡后，GC线程也会死亡，同时销毁

这种和主线程一起销毁的线程就是守护线程

非守护线程：线程的状态和主线程无关

用户线程：以上的三种方式创建的都是用户现场，由主线程创建，也是非守护线程

 

示例：

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 30; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(300);
                    System.out.println("子线程i:" + i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("主线程i:" + i);
        }
        System.out.println("主线程执行完毕");
    }
}

观察输出发现：打印主线程执行完毕之后，还在继续打印子线程执行信息

 

只需要对子线程进行设置，即可变成守护线程：

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                System.out.println("子线程i:" + i);
            }
        });
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("主线程i:" + i);
        }
        System.out.println("主线程执行完毕");
    }
}

观察输出发现：子线程还未打印到999，程序已经结束

 

join方法：

A线程调用了B线程的join方法，那么A等待B执行完毕之后再执行（A释放CPU执行权）

 

示例：主线程让子线程执行完毕再执行

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 60; i++) {
                System.out.println("子线程i:" + i);
            }
        });
        thread.start();
        thread.join();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("主线程i:" + i);
        }
        System.out.println("主线程执行完毕");
    }
}

观察输出发现：子线程打印完59，才开始主线程的打印

 

线程安全问题：

当多个线程共享同一个全局变量，做写的操作时候，会发生线程安全问题

 

模拟线程安全问题：车站卖票经典案例

public class ThreadDemo implements Runnable {
    //一共有一百张票
    private int count = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (count > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
                sale();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void sale() {
        if (count > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "出售第" + (100 - count + 1) + "张票");
            count--;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
        Thread t1 = new Thread(threadDemo, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(threadDemo, "窗口2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

观察输出发现：很多票重复出售

 

线程安全问题解决：

1.在sale方法上使用synchronized关键字

原理：当线程进入该方法时候会自动获取锁，一旦某线程获取了锁，其他线程就会等待，等到执行完毕该线程代码，释放锁

缺点：降低程序效率，每次执行该方法都需要进行判断

    private synchronized void sale() {
        if (count > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "出售第" + (100 - count + 1) + "张票");
            count--;
        }
    }

 

2.使用同步代码块

public class ThreadDemo implements Runnable {
    //一共有一百张票
    private int count = 100;

    private final Object object = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (count > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
                sale();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void sale() {
        synchronized (object) {
            if (count > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "出售第" + (100 - count + 1) + "张票");
                count--;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
        Thread t1 = new Thread(threadDemo, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(threadDemo, "窗口2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

观察输出：问题解决

 

注意：如果写成这样还是存在问题

    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo threadDemo1 = new ThreadDemo();
        ThreadDemo threadDemo2 = new ThreadDemo();
        Thread t1 = new Thread(threadDemo1, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(threadDemo2, "窗口2");
        t1.start();
        t2.start();
    }

 

这时候需要给全局变量加上static关键字：共享同一个锁

    private static int count = 100;

    private static final Object object = new Object();

观察输出：问题解决

 

多线程死锁问题：

产生场景：初学者喜欢每个地方都加入synchronized，于是synchronized中嵌套synchronized，容易产生死锁

产生原因：A线程拿到了锁2，现在需要拿锁1；B线程拿了锁1，现在需要拿锁2；A线程拿不到锁1就不会释放锁2；B线程拿不到锁2就不会释放锁1

 

ThreadLocal类：

什么是ThreadLocal：给每一个线程提供局部变量

原理：底层是一个Map集合，获取当前线程，然后调用Map的put和get方法实现

初始化：

    public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

获取：

        threadLocal.get();

设置：

        threadLocal.set(count);

 

多线程特性：

1.原子性

2.可见性

3.有序性

 

Java内存模型（JMM）：

JMM决定一个线程对共享变量的写入时，能够另一个线程是否可见

主内存：共享存储的变量

本地内存：共享变量的副本

 

线程安全问题根本原理：共享变量存放于主内存中，每一个线程都有本地内存。比如我在主内存中存入count=100，那么两个本地内存都存放了count=100副本。这时候两个线程同时操作共享变量count-1，首先两个线程要现在本地内存进行count-1操作，然后刷新到主内存。于是，出现了线程安全问题！

 

Volatile关键字：

一个示例：

class ThreadTest extends Thread {
    public boolean flag = true;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("线程开始");
        while (flag) {

        }
        System.out.println("线程结束");
    }

    public void setRunning(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
}

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadTest threadTest = new ThreadTest();
        threadTest.start();
        Thread.sleep(3000);
        threadTest.setRunning(false);
        System.out.println("flag改为false");
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println("flag:" + threadTest.flag);
    }
}

打印如下：

线程开始
flag改为false
flag:false

然后程序卡死

 

为什么已经把flag改为false，子线程还是走入了while循环

因为：主线程把flag改了，还没有刷入主内存，子线程一直在读本地内存中的变量

 

解决：只需要加入volatile关键字

作用：将修改的值立即更新到主内存，保证其他线程对该变量的可见

    public volatile boolean flag = true;

打印如下：

线程开始
flag改为false
线程结束
flag:false 

注意：volatile只能保证可见性，不能保证线程安全

 

使用场景：观察主流框架，可以发现只要是全局共享的变量，都加入了volatile关键字

 

Synchronized与Volatile关键字区别：

Volatile保证可见性，不能保证原子性，也就是不能保证线程安全，禁止重排序

Synchronized既可以保证原子性，也可以保证线程安全，不禁止重排序

 

重排序：

概念：CPU会对代码实现优化，不会对有依赖关系性做重排序

什么是依赖关系：

            int a = 1;
            int b = 2;
            int c = a + b;

c依赖a，b。c和a，b都有关系。c一定在a，b之后执行，而a，b执行顺序不一定

所以在代码执行时候，可能先执行的是int b = 2而不是int a = 1

但是在这里执行的结果不会发生改变

 

注意：一般只会在多线程中遇到重排序问题

重排序问题的解决：加入volatile关键字 

 

线程之间的通信：

多个线程在处理同一个资源，但是线程的任务却不相同，通过一定的手段使各个线程能有效地利用资源，

这种手段即：等待唤醒机制，又称作线程之间的通信

涉及到的方法：wait()，notify()

 

示例：

两个线程一个输入，一个输出

package demo;

public class Resource {
    public String name;
    public String sex;
}

输入线程：

package demo;

public class Input implements Runnable {
    private Resource r = new Resource();

    public void run() {
        int i = 0;
        while (true) {
            if (i % 2 == 0) {
                r.name = "张三";
                r.sex = "男";
            } else {
                r.name = "李四";
                r.sex = "女";
            }
            i++;
        }
    }

}

输出线程：

package demo;

public class Output implements Runnable {
    private Resource r = new Resource();
    public void run(){
        while (true) {
            System.out.println(r.name+"..."+r.sex);
        }
    }
}

测试类：

package demo;

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Input in = new Input();
        Output out = new Output();
        Thread tin = new Thread(in);
        Thread tout = new Thread(out);
        
        tin.start();
        tout.start();
    }
}

 

运行后却发现输出的都是null...null

因为输入线程和输出线程中创建的Resource对象使不同的

 

解决null问题：

package demo;

public class Input implements Runnable {
    private Resource r;
    
    public Input(Resource r){
        this.r = r;
    }

    public void run() {
        int i = 0;
        while (true) {
            if (i % 2 == 0) {
                r.name = "张三";
                r.sex = "男";
            } else {
                r.name = "李四";
                r.sex = "女";
            }
            i++;
        }
    }

}

package demo;

public class Output implements Runnable {
    private Resource r;
    
    public Output(Resource r){
        this.r = r;
    }
    
    public void run(){
        while (true) {
            System.out.println(r.name+"..."+r.sex);
        }
    }
}

package demo;

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        
        Resource r = new Resource();
        
        Input in = new Input(r);
        Output out = new Output(r);
        Thread tin = new Thread(in);
        Thread tout = new Thread(out);
        
        tin.start();
        tout.start();
    }
}

 

运行后又发现了另一个问题：

输出中含有：张三...女或者李四...男，性别出错

发生原因：

赋值完张三和男后，继续赋值李四和女，这时候还未还得及赋值女，就进入了输出线程，这时候就会输出李四...男

 

于是想到加上同步：

    public void run() {
        int i = 0;
        while (true) {
            synchronized (this) {
                if (i % 2 == 0) {
                    r.name = "张三";
                    r.sex = "男";
                } else {
                    r.name = "李四";
                    r.sex = "女";
                }
                i++;
            }
        }
    }

    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {
                System.out.println(r.name + "..." + r.sex);
            }
        }
    }

 

然而问题并没有解决：

原因：

这里的同步失去了作用，用到的不是一个锁

 

解决办法：

使用一个共同的锁即可

public void run() {
        int i = 0;
        while (true) {
            synchronized (r) {
                if (i % 2 == 0) {
                    r.name = "张三";
                    r.sex = "男";
                } else {
                    r.name = "李四";
                    r.sex = "女";
                }
                i++;
            }
        }
    }

    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (r) {
                System.out.println(r.name + "..." + r.sex);
            }
        }
    }

这时候就是正常的输出了

 但是还是存在一个问题，我们希望的是张三和李四交错出现，一个张三一个李四，现在依然是随机出现的，大片的张三或李四

 

 

解决办法：

先让input线程赋值，然后让output线程输出，并且让输入线程等待，不允许再赋值李四，等待输出张三结束后，再允许李四赋值，依次下去

输入线程也需要同样的方式，输出完后要等待

这时候就需要用到等待唤醒机制：

输入：赋值后，执行方法wait()永远等待

输出：打印后，再输出等待之前，唤醒输入notify()，自己再wait()永远等待

输入：被唤醒后，重新赋值，必须notify()唤醒输出的线程，自己再wait()等待

依次循环下去

 

代码实现：

package demo;

public class Resource {
    public String name;
    public String sex;
    public boolean flag = false;
}

package demo;

public class Input implements Runnable {
    private Resource r;

    public Input(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    public void run() {
        int i = 0;
        while (true) {
            synchronized (r) {
                if (r.flag) {
                    try {
                        r.wait();
                    } catch (Exception e) {
                    }
                }
                if (i % 2 == 0) {
                    r.name = "张三";
                    r.sex = "男";
                } else {
                    r.name = "李四";
                    r.sex = "女";
                }
                r.flag = true;
                r.notify();
            }
            i++;
        }
    }
}

package demo;

public class Output implements Runnable {
    private Resource r;

    public Output(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (r) {
                if (!r.flag) {
                    try {
                        r.wait();
                    } catch (Exception e) {
                    }
                }
                System.out.println(r.name + "..." + r.sex);
                r.flag = false;
                r.notify();
            }
        }
    }
}

package demo;

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {

        Resource r = new Resource();

        Input in = new Input(r);
        Output out = new Output(r);
        Thread tin = new Thread(in);
        Thread tout = new Thread(out);

        tin.start();
        tout.start();
    }
}

这时候就是张三李四交错输出了

完成