day19-线程之间的通信&线程池&设计模式
Posted teayear
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了day19-线程之间的通信&线程池&设计模式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
day19_线程之间的通信&线程池&设计模式
课程目标
1. 【理解】线程通信概念
2. 【理解】等待唤醒机制
3. 【理解】线程池运行原理
4. 【理解】voliate关键字
5. 【掌握】单例设计模式
线程之间通信
什么是线程之间的通信
**概念：**多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。
比如：线程A用来生成包子的，线程B用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0QidQhjy-1673396944192)(assets/线程间通信.bmp)]
为什么要处理线程间通信
多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。
如何保证线程间通信有效利用资源
多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时， 避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。
等待唤醒机制
这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。
就是在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将其唤醒（notify()）;在有多个线程进行等待时， 如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。
wait/notify 就是线程间的一种协作机制。
-
等待唤醒中的方法
方法名 说明 public final void wait() 在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待 public final void notify() 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程 public final void notifyAll() 唤醒在此对象监视器上等待的所有线程 wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；例如，餐馆有空位置后，等候就餐最久的顾客最先入座。
notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。
-
注意事项
哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以她需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。
总结如下：
- 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态；
- 否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态
-
wait和notify方法需要注意的细节
生产者与消费者问题
等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。
就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源：
包子铺线程生产包子，吃货线程消费包子。当包子没有时（包子状态为false），吃货线程等待，包子铺线程生产包子（即包子状态为true），并通知吃货线程（解除吃货的等待状态）,因为已经有包子了，那么包子铺线程进入等待状态。接下来，吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁，那么就执行吃包子动作，包子吃完（包子状态为false），并通知包子铺线程（解除包子铺的等待状态）,吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。
代码演示：
-
包子资源类（共同的资源）
public class BaoZi String pier ; String xianer ; boolean flag = false ;//包子资源 是否存在 包子资源状态 -
吃货线程类（消费者）
public class ChiHuo extends Thread private BaoZi bz; public ChiHuo(String name,BaoZi bz) super(name); this.bz = bz; @Override public void run() while(true) synchronized (bz) //false 没有数据就等着 if(bz.flag == false)//没包子 try bz.wait(); catch (InterruptedException e) e.printStackTrace(); //true 表示有数据就消费 System.out.println("吃货正在吃"+bz.pier+bz.xianer+"包子"); //消费完了修改标记false,表示没有数据 bz.flag = false; //唤醒生产者线程 bz.notify(); -
包子铺线程类（生产者）
public class BaoZiPu extends Thread private BaoZi bz; public BaoZiPu(String name,BaoZi bz) super(name); this.bz = bz; @Override public void run() int count = 0; //造包子 while(true) //同步 synchronized (bz) if(bz.flag == true)//包子资源 存在 try bz.wait(); catch (InterruptedException e) e.printStackTrace(); // 没有包子 造包子 System.out.println("包子铺开始做包子"); if(count%2 == 0) // 冰皮 五仁 bz.pier = "冰皮"; bz.xianer = "五仁"; else // 薄皮 牛肉大葱 bz.pier = "薄皮"; bz.xianer = "牛肉大葱"; count++; //生产完了修改标记为true表示有数据 bz.flag=true; System.out.println("包子造好了："+bz.pier+bz.xianer); System.out.println("吃货来吃吧"); //唤醒等待线程 （吃货） bz.notify(); -
测试类
public class Demo public static void main(String[] args) //等待唤醒案例 BaoZi bz = new BaoZi(); ChiHuo ch = new ChiHuo("吃货",bz); BaoZiPu bzp = new BaoZiPu("包子铺",bz); ch.start(); bzp.start(); -
打印结果
包子铺开始做包子
包子造好了：冰皮五仁
吃货来吃吧
吃货正在吃冰皮五仁包子
包子铺开始做包子
包子造好了：薄皮牛肉大葱
吃货来吃吧
吃货正在吃薄皮牛肉大葱包子
包子铺开始做包子
包子造好了：冰皮五仁
吃货来吃吧
吃货正在吃冰皮五仁包子
线程池
线程池思想
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2qJ80plQ-1673396944195)(assets/游泳池.jpg)]
我们使用线程的时候就去创建一个线程，这样实现起来非常简便，但是就会有一个问题：
如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。
那么有没有一种办法使得线程可以复用，就是执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务？
在Java中可以通过线程池来达到这样的效果。今天我们就来详细讲解一下Java的线程池。
线程池概念
概念:其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。
由于线程池中有很多操作都是与优化资源相关的，我们在这里就不多赘述。我们通过一张图来了解线程池的工作原理：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Ys0sBUv6-1673396944196)(assets/线程池原理.bmp)]
合理利用线程池能够带来三个好处
降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务。提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。提高线程的可管理性,可以得到复用。可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，防止因为消耗过多的内存，而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存，线程开的越多，消耗的内存也就越大，最后死机)。
线程池的使用
Java里面线程池的顶级接口是java.util.concurrent.Executor，但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池，而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是java.util.concurrent.ExecutorService`。
要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在java.util.concurrent.Executors线程工厂类里面提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。官方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。
Executors类中有个创建线程池的方法如下：
| 方法名 | 描述 |
|---|---|
| public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) | 返回线程池对象。(创建的是有界线程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量) |
获取到了一个线程池ExecutorService 对象，那么怎么使用呢，在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下：
使用线程池中线程对象的步骤
1. 创建线程池对象。
2. 创建Runnable接口子类对象。(task)
3. 提交Runnable接口子类对象。(take task)
4. 关闭线程池(一般不做)。
代码实现
-
Runnable实现类
public class MyRunnable implements Runnable @Override public void run() System.out.println("我要一个教练"); try Thread.sleep(2000); catch (InterruptedException e) e.printStackTrace(); System.out.println("教练来了： " + Thread.currentThread().getName()); System.out.println("教我游泳,交完后，教练回到了游泳池"); -
线程池测试类
public class ThreadPoolDemo public static void main(String[] args) // 创建线程池对象，包含2个线程 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2); // 创建Runnable实例对象 MyRunnable r = new MyRunnable(); //自己创建线程对象的方式 // Thread t = new Thread(r); // t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run() // 从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run() service.submit(r); // 再获取个线程对象，调用MyRunnable中的run() service.submit(r); service.submit(r); // 注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。 // 将使用完的线程又归还到了线程池中 // 关闭线程池 //service.shutdown();回顾之前的线程安全问题
public static void main(String[] args) Vector<String> vector = new Vector<>();//线程安全，效率低 List<String> list = new ArrayList<>();//线程不安全，效率高 //我现在想要一个线程安全又效率高list List<String> list1 = Collections.synchronizedList(list);//线程安全,效率高 StringBuffer sb = new StringBuffer();//线程安全，效率低 StringBuilder sbd = new StringBuilder();//线程不安全，效率高 Hashtable<String,String> hashtable = new Hashtable<>();//线程安全，效率低 HashMap<String,String> hm = new HashMap<>();//线程不安全，效率高 //我现在想要一个线程安全又效率高map Map<String, String> map = Collections.synchronizedMap(hm);//线程安全,效率高
voliate关键字
volatile保证线程间变量的可见性，简单地说就是当线程A对变量X进行了修改后，在线程A后面执行的其他线程能看到变量X的变动，更详细地说是要符合以下两个规则：
- 线程对变量进行修改之后，要立刻回写到主内存。
- 线程对变量读取的时候，要从主内存中读，而不是缓存
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hv6HRJKB-1673396944197)(assets/image-20201208223734744.png)]
各线程的工作内存间彼此独立、互不可见，在线程启动的时候，虚拟机为每个内存分配一块工作内存，不仅包含了线程内部定义的局部变量，也包含了线程所需要使用的共享变量(非线程内构造的对象)的副本，即为了提高执行效率。
volatile是不错的机制，但是volatile不能保证原子性。
代码演示
/**
* volatile用于保证数据的同步，也就是可见性
*/
public class ThreadPoolDemo
//volatile关键字，可以保证线程之间变量的可见性
private /*volatile*/ static int num = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
new Thread(new Runnable()
public void run()
while(num==0) //此处不要编写代码
).start();
Thread.sleep(1000);
//对num值进行修改，上面的线程中的while(num==0)能看到的修改的值吗，
// 如果能看到while是可以停止的，如果不能看到while不一直运行
num = 1;
设计模式
设计模式概述
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-X2V0psg8-1673396944198)(assets/image-20211115104937027.png)]
简单一句话：设计模式就是经验的总结
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qjflwej0-1673396944199)(assets/image-20211115104941612.png)]
创建型模式：简单工厂模式，工厂方法模式，抽象工厂模式，建造者模式，原型模式，单例模式。(6个)
结构型模式：外观模式、适配器模式、代理模式、装饰模式、桥接模式、组合模式、享元模式。(7个)
行为型模式：模版方法模式、观察者模式、状态模式、职责链模式、命令模式、访问者模式、策略模式、备忘录模式、迭代器模式、解释器模式。(10个
什么是单例设计模式
单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
单例模式特点
单例设计模式实现前提条件
单例模式饿汉式
/*
* 单例模式饿汉式
*/
public class Student
// 构造私有
private Student()
// 自己造一个
// 静态方法只能访问静态成员变量，加静态
// 为了不让外界直接访问修改这个值，加private
private static Student s = new Student();
// 提供公共的访问方式
// 为了保证外界能够直接使用该方法，加静态
public static Student getStudent()
return s;
测试
/*
* 单例模式：保证类在内存中只有一个对象。
*
* 如何保证类在内存中只有一个对象呢?
* A：把构造方法私有
* B:在成员位置自己创建一个对象
* C:通过一个公共的方法提供访问
*/
public class StudentDemo
public static void main(String[] args)
//没有使用单例设计模式前，其实是多例
// Student s1 = new Student();
// Student s2 = new Student();
// System.out.println(s1 == s2); // false
//使用写好的单例设计模式，对象只有一个
Student s1 = Student.getStudent();
Student s2 = Student.getStudent();
System.out.println(s1 == s2); // true
System.out.println(s1); // null，cn.yanqi _03.Student@175078b
System.out.println(s2);// null，cn.yanqi_03.Student@175078b
单例模式懒汉式
/*
* 单例模式：
* 饿汉式：类一加载就创建对象
* 懒汉式：用的时候，才去创建对象
*
* 面试题：单例模式的思想是什么?请写一个代码体现。
*
* 开发：饿汉式(是不会出问题的单例模式)
* 面试：懒汉式(可能会出问题的单例模式)
* A:懒加载(延迟加载)
* B:线程安全问题
* a:是否多线程环境 是
* b:是否有共享数据 是
* c:是否有多条语句操作共享数据 是
*/
public class Teacher
private Teacher()
private static Teacher t = null;
public static Teacher getTeacher()
if (t == null)
t = new Teacher();
return t;
测试
public class TeacherDemo
public static void main(String[] args)
Teacher t1 = Teacher.getTeacher();
Teacher t2 = Teacher.getTeacher();
System.out.println(t1 == t2);
System.out.println(t1); // cn.yanqi_03.Teacher@175078b
System.out.println(t2);// cn.yanqi_03.Teacher@175078b
单例模式懒汉式安全问题
单例模式懒汉式是一种对象延迟加载，在多线程情况下会有安全隐患, 要想解决此问题,我们需要加同步代码块,进行解决
public class Teacher
//测试线程安全问题
private Teacher ()
System.out.println("懒汉式构造方法，懒汉式的线程安全问题");
private static Teacher s = null;
public static Teacher getTeacher()
if(s == null)
s = new Teacher ();
return s;
public static void main(String[] args)
new Thread(new Runnable()
public void run()
Teacher t1= Teacher.getTeacher();
System.out.println(t1);
,"线程A").start();
new Thread(new Runnable()
public void run()
Teacher t2= Teacher.getTeacher();
System.out.println(t2);
,"线程B").start();
解决程线安全问题
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-nfqkMfP0-1673396944201)(assets/image-20211111204216673.png)]
简单工厂设计模式
工厂设计模式，属于创建型，用于对象的创建； 简单来说，就是专门生产对象的
public abstract class Animal
public abstract void eat();
public class Cat extends Animal
@Override
public void eat()
System.out.println("cat 吃 鱼");
public class Dog extends Animal
@Override
public void eat()
System.out.println("dog 吃 肉");
以上是关于day19-线程之间的通信&线程池&设计模式的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
Day684.Executor组件：Tomcat如何扩展Java线程池 -深入拆解 Tomcat & Jetty