【Java多线程】1——多线程知识回顾

1 多线程知识回顾

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文章目录

  • 1 多线程知识回顾
    • 1.1 基础概念
      • 1.1.1 程序、进程、线程
        • 程序
        • 进程
        • 线程
      • 1.1.2 串行、并行、并发
        • 串行
        • 并行和并发
      • 1.1.3 sleep()和wait()
        • `sleep()`进入等待状态不释放锁
        • `wait()`进入等待状态释放锁
        • 小结
      • 1.1.4 同步方法和同步代码块
        • 相同点
        • 区别
        • 小结
    • 1.2 创建多线程
      • 1.2.1 继承Thread类
        • 实现方法
        • `start()` 方法和 `run()` 方法区别
        • 评价
      • 1.2.2 实现Runnable接口
        • 实现接口形式
        • 匿名内部类形式
        • Lambda表达式
      • 1.2.3 使用Callable接口配合FutureTask
        • `FutureTask`类和`Runnable`接口的关系
        • Future接口
        • `FutureTask`类的构造器
        • Callable接口
        • 测试代码
        • callable和Runnable对比
      • 1.2.4 线程池
        • 参考代码
      • 1.2.5 并行计算
      • 1.2.6 Timer定时任务
      • 1.2.7 Spring异步方法
        • 准备SpringBoot环境
        • 使用异步方法
    • 1.3 线程状态与生命周期
      • 1.3.1 线程状态枚举类
        • 源代码
        • 说明
      • 1.3.2 线程的生命周期
    • 1.4 线程间通信
      • 1.4.1 核心语法
        • `Object` 类的 `wait()` 方法
        • `Object` 类的 `notify()` 方法
        • `Object` 类的 `notifyAll()` 方法
      • 1.4.2 虚假唤醒

1.1 基础概念

1.1.1 程序、进程、线程

程序
  • 程序从开发到发布的过程:源程序(源代码) → 打包封装 → 应用软件 ;

  • 笼统的来说,源程序、应用软件都可以称之为『程序』;

  • 相对于进程、线程来说,程序是一个静态的概念;

进程
  • 内部视角:程序运行起来就是一个进程。所以相对于程序来说,进程是一个动态的概念;
  • 外部视角:站在操作系统的层次上来说,现代的大型操作系统都是支持多进程模式运行的,这样操作系统就可以同时执行很多个任务;
线程

在一个进程中,需要同时处理多个不同任务,每一个任务由一个线程来执行。从这个意义上来说,可以把进程看做是线程的容器。

在这里插入图片描述

1.1.2 串行、并行、并发

串行

多个操作在同一个线程内按顺序执行。这种情况下的工作模式我们往往也称之为:同步。按照同步模式执行的多个操作,当前操作没有结束时,下一个操作就必须等待。处于等待中的状态往往也称为:阻塞(block)。

并行和并发

并行和并发都是以异步的模式来执行操作的。异步工作模式下不同线程内的操作互相不需要等待。

  • 并行:多个 CPU(或 CPU 核心)同时执行多个任务
  • 并发:一个 CPU(或 CPU 核心)同时执行多个任务

1.1.3 sleep()和wait()

二者最关键的区别是下面两点:

  • sleep() 会让线程拿着锁去睡;
  • wait() 会让线程放开锁去睡;
sleep()进入等待状态不释放锁
// 1、创建一个对象,作为锁对象
Object lockObj = new Object();// 2、创建执行 sleep 的线程
new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin");// ※ 两个线程使用同一个锁对象,就会存在竞争关系synchronized (lockObj) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");try {// ※ sleep() 方法拿着锁去睡TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release lock");}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end");}, "thread-a").start();// ※ 让主线程睡一会儿,确保 a 线程先启动
try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {}// 3、创建竞争锁的线程
new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin");// ※ 两个线程使用同一个锁对象,就会存在竞争关系synchronized (lockObj) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end");
}, "thread-b").start();

打印结果:

thread-a begin

thread-a get lock

thread-b begin

thread-a release lock

thread-b get lock

thread-b end

thread-a end

wait()进入等待状态释放锁
// 1、创建一个对象,作为锁对象
Object lockObj = new Object();// 2、创建执行 sleep 的线程
new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin");// ※ 两个线程使用同一个锁对象,就会存在竞争关系synchronized (lockObj) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");try {// ※ wait() 方法放开锁去睡lockObj.wait(5000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release lock");}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end");}, "thread-a").start();// ※ 让主线程睡一会儿,确保 a 线程先启动
try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {}// 3、创建竞争锁的线程
new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin");// ※ 两个线程使用同一个锁对象,就会存在竞争关系synchronized (lockObj) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end");
}, "thread-b").start();

打印结果:

thread-a begin

thread-a get lock

thread-b begin

thread-b get lock

thread-b end

thread-a release lock

thread-a end

小结
wait()sleep()
声明位置Object 类Thread 类
影响线程的方式通过调用 wait() 方法的对象影响到线程直接影响当前线程
性质非静态方法静态方法
释放锁资源放开锁进入等待不释放锁进入等待
同步要求必须在同步上下文中使用不要求在同步上下文中
应用场景用于线程间通信用来让线程暂停一段时间

1.1.4 同步方法和同步代码块

相同点

都会用到synchronized关键字

区别
锁对象锁定范围
同步代码块由程序员指定代码块的范围(灵活)
同步方法静态:类.class
非静态:this
整个方法体
小结
  • 结论1:静态同步方法使用类.class作为锁对象;非静态同步方法使用this作为锁对象;
  • 结论2:多个线程如果使用同一个锁对象就会有竞争关系;否则没有竞争关系;

1.2 创建多线程

无论有多少种形式,创建多线程的真正的方法,其实只有两种:

继承 Thread 类

实现 Runnable 接口

其它形式都是这两种方式的变体

1.2.1 继承Thread类

实现方法
  • 第一步:继承 Thread 类;
  • 第二步:重写 run() 方法;
  • 第三步:创建 Thread 子类对象;
  • 第四步:调用 start() 方法启动线程;
public class CreateThread01Extends {public static void main(String[] args) {DemoThread demo = new DemoThread("AAA");demo.start();}}class DemoThread extends Thread {public DemoThread(String threadName) {super(threadName);}@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread working ...");}
}
start() 方法和 run() 方法区别

调用 run() 方法仅仅只是调用了一个子类中重写的父类方法,并没有真正开启一个新的线程,还是在当前线程运行,也就是 main 线程。

评价

因为 Java 是单继承的,一个类继承了 Thread 类就不能继承其它类,所以通常不采用这个办法创建多线程。

1.2.2 实现Runnable接口

实现接口形式
public class CreateThread02Impl {public static void main(String[] args) {// 第四步:创建实现了 Runnable 接口的类的对象MyRunnableThread runnable = new MyRunnableThread();// 第五步:创建 Thread 类对象// 参数1:runnable 对象// 参数2:线程名称Thread thread = new Thread(runnable, "thread 002");// 第六步:调用 Thread 对象的 start() 方法启动线程thread.start();}}// 第一步:实现 Runnable 接口
class MyRunnableThread implements Runnable {// 第二步:实现 run() 方法@Overridepublic void run() {// 第三步:编写线程中的逻辑代码System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");}
}
匿名内部类形式
// 第一步:以匿名内部类的方式创建 Runnable 接口类型的对象
Runnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {// 第二步:编写线程中的逻辑代码System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");}
};// 第三步:创建 Thread 类对象
// 参数1:runnable 对象
// 参数2:线程名称
Thread thread = new Thread(runnable, "thread 003");// 第四步:调用 Thread 对象的 start() 方法启动线程
thread.start();
Lambda表达式

声明变量:

// 编写 Lambda 表达式的口诀:
// 复制小括号
// 写死右箭头
// 落地大括号// 第一步:以匿名内部类的方式创建 Runnable 接口类型的对象
Runnable runnable = () -> {// 第二步:编写线程中的逻辑代码System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");
};// 第三步:创建 Thread 类对象
// 参数1:runnable 对象
// 参数2:线程名称
Thread thread = new Thread(runnable, "thread 004");// 第四步:调用 Thread 对象的 start() 方法启动线程
thread.start();

不声明变量:

// 第一步:创建 Thread 类对象并调用 start() 方法启动线程
// 参数1:以Lambda 表达式形式创建的 runnable 对象
// 参数2:线程名称
new Thread(() -> {// 第二步:编写线程中的逻辑代码System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");
}, "thread 005").start();

1.2.3 使用Callable接口配合FutureTask

该方案最核心的价值是:使用 Callable 接口限定的功能 + Future 接口限定的功能 = 汇总各个线程执行结果 最终执行汇总操作的这一步会被阻塞,直到前面各个线程完成了计算。

FutureTask类和Runnable接口的关系

在这里插入图片描述

从继承关系能够看到,FutureTask本身也间接实现了Runnable接口。FutureTask类的对象也是Runnable接口的实例,可以用于在创建Thread对象时,传入Thread构造器。

Future接口

停止任务:

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

如果尚未启动,它将停止任务。如果已启动,则仅在 mayInterrupt 为 true 时才会中断任务。

获取任务的结果:

V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

如果任务完成,它将立即返回结果,否则将等待任务完成,然后返回结果。

判断任务是否完成:

boolean isDone();

如果任务完成,则返回true,否则返回false。

FutureTask类的构造器

介绍:

FutureTask 类兼具 RunnableFuture 接口的功能,并方便地将两种功能组合在一起。关于 FutureTask 类的使用有如下建议:

  • 在主线程中需要执行比较耗时的操作时,但又不想阻塞主线程时,可以把这些作业交给 Future 对象在后台完成;
  • 当主线程将来需要时,就可以通过 Future 对象获得后台作业的计算结果或者执行状态;
  • 一般 FutureTask 多用于耗时的计算,主线程可以在完成自己的任务后,再去获取结果;
  • 仅在计算完成时才能检索结果;如果计算尚未完成,则阻塞 get() 方法;
  • 一旦计算完成,就不能再重新开始或取消计算;
  • get() 方法而获取结果只有在计算完成时获取,否则会一直阻塞直到任务转入完成状态,然后会返回结果或者抛出异常;
  • get() 只执行一次,因此get() 方法放到最后;

可以使用的构造器:

    public FutureTask(Callable<V> callable) {if (callable == null)throw new NullPointerException();this.callable = callable;this.state = NEW;       // ensure visibility of callable}

根据这个构造器,我们知道,创建 FutureTask 对象时,传入一个 Callable 类型的对象即可。

Callable接口
@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {/*** Computes a result, or throws an exception if unable to do so.** @return computed result* @throws Exception if unable to compute a result*/V call() throws Exception;
}

从 call() 方法的声明我们可以看出,它有一个返回值。这个返回值可以将当前线程内计算结果返回。

测试代码
// 1.创建三个FutureTask对象,封装三个线程的执行逻辑
FutureTask<Integer> task01 = new FutureTask<>(() -> {int result = (int) (Math.random() * Math.random() * 100);System.out.println(Thread.currentThread().getName());return result;
});
FutureTask<Integer> task02 = new FutureTask<>(() -> {int result = (int) (Math.random() * Math.random() * 1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName());return result;
});
FutureTask<Integer> task03 = new FutureTask<>(() -> {int result = (int) (Math.random() * Math.random() * 10000);System.out.println(Thread.currentThread().getName());return result;
});// 2.创建三个线程对象,然后启动线程
new Thread(task01, "thread01").start();
new Thread(task02, "thread02").start();
new Thread(task03, "thread03").start();// 3.上面三个线程执行完成后,可以收集它们各自运算的结果
Integer task01Result = task01.get();
Integer task02Result = task02.get();
Integer task03Result = task03.get();System.out.println("task01Result = " + task01Result);
System.out.println("task02Result = " + task02Result);
System.out.println("task03Result = " + task03Result);
callable和Runnable对比
Runnable接口Callable接口
重写run()方法重写call()方法
run()没有返回值call()有返回值
run()没有声明抛出异常call()声明抛出Exception
没有汇总各个线程结果的机制有汇总各个线程结果的机制

1.2.4 线程池

参考代码
// 1.创建线程池对象
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);// 2.给线程池对象分配任务,每一个任务是一个线程
pool.execute(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
});pool.execute(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
});pool.execute(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
});

1.2.5 并行计算

List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c", "d", "e");// 串行计算
list.stream().forEach(System.out::print);System.out.println();// 并行计算
list.parallelStream().forEach(System.out::print);

1.2.6 Timer定时任务

// 1、创建 Timer 对象封装定时任务中要执行的操作
// 每一个 Timer 对象会使用一个线程来执行定时任务
Timer timer01 = new Timer();// 2、调用 schedule() 指定任务和执行周期
// 参数1:timerTask 封装具体任务操作
// 参数2:delay 指定定时任务延迟多久后开始执行
// 参数3:period 指定定时任务执行的时间间隔
timer01.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" is working");}
}, 0, 1000);Timer timer02 = new Timer();timer02.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" is working");}
}, 0, 1000);

1.2.7 Spring异步方法

在 Spring 环境下,如果组件 A(假设是 ControllerA)要调用组件 B(假设是 ServiceB)的多个方法,而且希望这些方法能够异步执行。

准备SpringBoot环境

引入依赖:

<dependencies><dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId><version>2.5.2</version></dependency>
</dependencies>

创建主启动类:

@SpringBootApplication
public class Application {public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(Application.class, args);}}

创建Service:

@Service
public class DemoService {public void doSth() {System.out.println("Demo Service " + Thread.currentThread().getName());}}

创建Controller:

@RestController
public class DemoController {@Autowiredprivate DemoService demoService;@RequestMapping("/demo/test/async")public String callServiceMethod() {demoService.doSth();demoService.doSth();demoService.doSth();demoService.doSth();demoService.doSth();return "success";}}
使用异步方法

开启异步功能:

在主启动类使用 @EnableAsync 注解:

// 开启支持异步方法调用功能
@EnableAsync
@SpringBootApplication
public class Application {public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(Application.class, args);}}

标记异步方法:

在想要异步调用的方法上使用 @Async 注解:

@Service
public class DemoService {// 在想要实现异步调用的方法上加 @Async注解@Asyncpublic void doSth() {System.out.println("Demo Service " + Thread.currentThread().getName());}}

1.3 线程状态与生命周期

1.3.1 线程状态枚举类

源代码
    public enum State {/*** Thread state for a thread which has not yet started.*/NEW,/*** Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable* state is executing in the Java virtual machine but it may* be waiting for other resources from the operating system* such as processor.*/RUNNABLE,/*** Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.* A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock* to enter a synchronized block/method or* reenter a synchronized block/method after calling* {@link Object#wait() Object.wait}.*/BLOCKED,/*** Thread state for a waiting thread.* A thread is in the waiting state due to calling one of the* following methods:* <ul>*   <li>{@link Object#wait() Object.wait} with no timeout</li>*   <li>{@link #join() Thread.join} with no timeout</li>*   <li>{@link LockSupport#park() LockSupport.park}</li>* </ul>** <p>A thread in the waiting state is waiting for another thread to* perform a particular action.** For example, a thread that has called <tt>Object.wait()</tt>* on an object is waiting for another thread to call* <tt>Object.notify()</tt> or <tt>Object.notifyAll()</tt> on* that object. A thread that has called <tt>Thread.join()</tt>* is waiting for a specified thread to terminate.*/WAITING,/*** Thread state for a waiting thread with a specified waiting time.* A thread is in the timed waiting state due to calling one of* the following methods with a specified positive waiting time:* <ul>*   <li>{@link #sleep Thread.sleep}</li>*   <li>{@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout</li>*   <li>{@link #join(long) Thread.join} with timeout</li>*   <li>{@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}</li>*   <li>{@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}</li>* </ul>*/TIMED_WAITING,/*** Thread state for a terminated thread.* The thread has completed execution.*/TERMINATED;}
说明
英文名称中文名称含义
NEW新建线程对象刚创建
RUNNABLE就绪等待 CPU 时间片
RUNNING运行得到了 CPU 时间片,正在执行
BLOCKED阻塞等待同步锁
WAITING等待等待被唤醒
TIMED_WAITING限时等待在进入等待状态时设定了等待时间。时间一到自动回到就绪状态
TERMINATED终止线程因为代码执行完成或抛异常而停止执行

1.3.2 线程的生命周期

在这里插入图片描述

1.4 线程间通信

在多线程模式下进行工作,除了要考虑各个线程之间是否同步、如何竞争锁等问题,还要考虑这样一个问题:线程之间有的时候需要相互配合来共同完成一件事情。 把一个大的任务拆分成多个不同的任务线,每个任务线中都有更小的执行步骤。各个线程之间需要彼此配合:A 线程执行一步唤醒 B 线程,自己等待;B 线程执行一步,唤醒 A 线程,自己等待……

1.4.1 核心语法

Object 类的 wait() 方法

Causes the current thread to wait until another thread invokes the java.lang.Object#notify() method or the java.lang.Object#notifyAll() method for this object.

  • wait() 方法会导致当前线程进入等待状态;
  • 必须另外一个线程调用 notify()notifyAll() 方法来唤醒
  • “for this object” 表示还是要使用 同一个对象 分别调用 wait()notify()notifyAll() 这些方法;
Object 类的 notify() 方法

Wakes up a single thread that is waiting on this object’s monitor. If any threads are waiting on this object, one of them is chosen to be awakened.

  • notify() 方法只唤醒一个线程;
  • 处于等待状态的线程会被存放在对象监视器中的一个数组中;
  • 如果在这个对象的监视器中维护的处于等待状态的线程是多个,那么 notify() 方法会随机唤醒一个;
  • notfiy() 方法无法精确唤醒一个指定的线程,这个需求可以通过 Lock + Condition 方式实现(定制化通信);
Object 类的 notifyAll() 方法

Wakes up all threads that are waiting on this object’s monitor.

唤醒当前对象监视器上等待的**所有**线程。

1.4.2 虚假唤醒

在这里插入图片描述

这种情况,我们称之为:虚假唤醒。

要解决虚假唤醒问题,就需要对线程间通信时的判断条件使用 while 循环结构来执行,而不是 if 分支判断。

在这里插入图片描述

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