主要内容
线程
同步
线程状态
等待与唤醒案例
线程池
学习目标
[ ] 说出进程的概念
[ ] 说出线程的概念
[ ] 能够理解并发与并行的区别
[ ] 能够开启新线程
[ ] 能够描述 Java 中多线程运行原理
[ ] 能够使用继承类的方式创建多线程
[ ] 能够使用实现接口的方式创建多线程
[ ] 能够说出实现接口方式的好处
[ ] 能够解释安全问题的出现原因
[ ] 能够使用同步代码块解决线程安全问题
[ ] 能够使用同步方法解决线程安全问题
[ ] 能够说出线程 6 个状态的名称
[ ] 能够理解线程通信概念
[ ] 能够理解等待唤醒机制
[ ] 能够描述 Java 中线程池运行原理
我们在之前, 学习的程序在没有跳转语句的前提下, 都是由上至下依次执行, 那现在想要设计一个程序, 边打游戏边听歌, 怎么设计?
要解决上述问题, 咱们得使用多进程或者多线程来解决.
1.1 并发与并行
并发: 指两个或多个事件在同一个时间段内发生.
并行: 指两个或多个事件在同一时刻发生(同时发生).
在操作系统中, 安装了多个程序, 并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行, 这在单 CPU 系统中, 每一时刻只能有一道程序执行, 即微观上这些程序是分时的交替运行, 只不过是给人的感觉是同时运行, 那是因为分时交替运行的时间是非常短的.
而在多个 CPU 系统中, 则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上(CPU), 实现多任务并行执行, 即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序, 这样多个程序便可以同时执行. 目前电脑市场上说的多核 CPU, 便是多核处理器, 核越多, 并行处理的程序越多, 能大大的提高电脑运行的效率.
注意: 单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的, 只能是多个任务在单个 CPU 上并发运行. 同理, 线程也是一样的, 从宏观角度上理解线程是并行运行的, 但是从微观角度上分析却是串行运行的, 即一个线程一个线程的去运行, 当系统只有一个 CPU 时, 线程会以某种顺序执行多个线程, 我们把这种情况称之为线程调度.
1.2 线程与进程
进程: 是指一个内存中运行的应用程序, 每个进程都有一个独立的内存空间, 一个应用程序可以同时运行多个进程; 进程也是程序的一次执行过程, 是系统运行程序的基本单位; 系统运行一个程序即是一个进程从创建, 运行到消亡的过程.
线程: 线程是进程中的一个执行单元, 负责当前进程中程序的执行, 一个进程中至少有一个线程. 一个进程中是可以有多个线程的, 这个应用程序也可以称之为多线程程序.
简而言之: 一个程序运行后至少有一个进程, 一个进程中可以包含多个线程
我们可以再电脑底部任务栏, 右键 ----->打开任务管理器, 可以查看当前任务的进程:
进程
线程
线程调度:
分时调度
所有线程轮流使用 CPU 的使用权, 平均分配每个线程占用 CPU 的时间.
抢占式调度
优先让优先级高的线程使用 CPU, 如果线程的优先级相同, 那么会随机选择一个(线程随机性),Java 使用的为抢占式调度.
设置线程的优先级
抢占式调度详解
大部分操作系统都支持多进程并发运行, 现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序. 比如: 现在一边开着网页一边听歌, 还挂着 qq 微信. 此时, 这些程序是在同时运行,"感觉这些软件好像在同一时刻运行着".
实际上, CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换. 对于 CPU 的一个核而言, 某个时刻, 只能执行一个线程, 而 CPU 的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快, 看上去就是在同一时刻运行.
其实, 多线程程序并不能提高程序的运行速度, 但能够提高程序运行效率, 让 CPU 的使用率更高.
1.3 创建线程类
Java 使用 java.lang.Thread 类代表线程, 所有的线程对象都必须是 Thread 类或其子类的实例. 每个线程的作用是完成一定的任务, 实际上就是执行一段程序流即一段顺序执行的代码. Java 使用线程执行体来代表这段程序流. Java 中通过继承 Thread 类来创建并启动多线程的步骤如下:
定义 Thread 类的子类, 并重写该类的 run()方法, 该 run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务, 因此把 run()方法称为线程执行体.
创建 Thread 子类的实例, 即创建了线程对象
调用线程对象的 start()方法来启动该线程
代码如下:
测试类:
- public class Demo01 {
- public static void main(String[] args) {
- // 创建自定义线程对象
- MyThread mt = new MyThread("新的线程!");
- // 开启新线程
- mt.start();
- // 在主方法中执行 for 循环
- for (int i = 0; i <10; i++) {
- System.out.println("main 线程!"+i);
- }
- }
- }
自定义线程类:
- public class MyThread extends Thread {
- // 定义指定线程名称的构造方法
- public MyThread(String name) {
- // 调用父类的 String 参数的构造方法, 指定线程的名称
- super(name);
- }
- /**
- * 重写 run 方法, 完成该线程执行的逻辑
- */
- @Override
- public void run() {
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- System.out.println(getName()+": 正在执行!"+i);
- }
- }
- }
第二章 线程
2.1 多线程原理
先画个多线程执行时序图 来体现一下多线程程序的执行流程.
代码如下:
自定义线程类:
- public class MyThread extends Thread{
- /*
- * 利用继承中的特点
- * 将线程名称传递 进行设置
- */
- public MyThread(String name){
- super(name);
- }
- /*
- * 重写 run 方法
- * 定义线程要执行的代码
- */
- public void run(){
- for (int i = 0; i < 20; i++) {
- //getName()方法 来自父亲
- System.out.println(getName()+i);
- }
- }
- }
测试类:
- public class Demo {
- public static void main(String[] args) {
- System.out.println("这里是 main 线程" );
- MyThread mt = new MyThread("小强");
- mt.start();// 开启了一个新的线程
- for (int i = 0; i < 20; i++){
- System.out.println("旺财:"+i);
- }
- }
- }
流程图:
程序启动运行 main 时候, java 虚拟机启动一个进程, 主线程 main 在 main()调用时候被创建. 随着调用 mt 的对象的 start 方法, 另外一个新的线程也启动了, 这样整个应用就在多线程下运行.
通过这张图我们可以很清晰的看到多线程的执行流程, 那么为什么可以完成并发执行呢? 我们再来讲一讲原理.
多线程执行时, 到底在内存中是如何运行的呢? 以上个程序为例, 进行图解说明:
多线程执行时, 在栈内存中, 其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间. 进行方法的压栈和弹栈.
当执行线程的任务结束了, 线程自动在栈内存中释放了. 但是当所有的执行线程都结束了, 那么进程就结束了.
2.2 Thread 类
在上面的内容中我们已经可以完成最基本的线程开启, 那么在我们完成操作过程中用到了 java.lang.Thread 类, API 中该类中定义了有关线程的一些方法, 具体如下:
构造方法:
public Thread() : 分配一个新的线程对象.
public Thread(String name)
: 分配一个指定名字的新的线程对象.
public Thread(Runnable target)
: 分配一个带有指定目标新的线程对象.
public Thread(Runnable target,String name)
: 分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字.
常用方法:
public String getName()
: 获取当前线程名称.
public void start()
: 导致此线程开始执行; Java 虚拟机调用此线程的 run 方法.
public void run()
: 此线程要执行的任务在此处定义代码.
public static void sleep(long millis)
: 使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停(暂时停止执行).
public static Thread currentThread()
: 返回对当前正在执行的线程对象的引用.
翻阅 API 后得知创建线程的方式总共有两种, 一种是继承 Thread 类方式, 一种是实现 Runnable 接口方式, 方式一在上面内容已经完成, 接下来讲解方式二实现的方式.
2.3 创建线程方式二
采用 java.lang.Runnable 也是非常常见的一种, 我们只需要重写 run 方法即可.
步骤如下:
定义 Runnable 接口的实现类, 并重写该接口的 run()方法, 该 run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体.
创建 Runnable 实现类的实例, 并以此实例作为 Thread 的 target 来创建 Thread 对象, 该 Thread 对象才是真正的线程对象.
调用线程对象的 start()方法来启动线程.
代码如下:
- public class MyRunnable implements Runnable {
- @Override
- public void run{
- for (int i = 0; i < 20; i++) {
- System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " "+i );
- }
- }
- }
- public class Demo {
- public static void main(String[] args) {
- // 创建自定义类对象 线程任务对象
- MyRunnable mr = new MyRunnable();
- // 创建线程对象
- Thread t = new Thread(mr, "小强");
- t.start();
- for (int i = 0; i < 20; i++){
- System.out.println("旺财" + i);
- }
- }
通过实现 Runnable 接口, 使得该类有了多线程类的特征. run()方法是多线程程序的一个执行目标. 所有的多线程代码都在 run 方法里面. Thread 类实际上也是实现了 Runnable 接口的类.
在启动多线程的时候, 需要先通过 Thread 类的构造方法 Thread(Runnable target) 构造出对象, 然后调用 Thread 对象的 start()方法来运行多线程代码.
实际上所有的多线程代码都是通过运行 Thread 的 start()方法来运行的. 因此, 不管是继承 Thread 类还是实现 Runnable 接口来实现多线程, 最终还是通过 Thread 对象的 API 来控制线程的, 熟悉 Thread 类的 API 是进行多线程编程的基础.
tips:Runnable 对象仅仅作为 Thread 对象的 target,Runnable 实现类里包含的 run()方法仅作为线程执行体. 而实际的线程对象依然是 Thread 实例, 只是该 Thread 线程负责执行其 target 的 run()方法.
2.4 Thread 和 Runnable 的区别
如果一个类继承 Thread, 则不适合资源共享. 但是如果实现了 Runable 接口的话, 则很容易的实现资源共享.
总结:
实现 Runnable 接口比继承 Thread 类所具有的优势:
适合多个相同程序代码的线程去共享同一个资源.
可以避免 Java 中的单继承的局限性.
增加程序的健壮性, 实现解耦操作, 代码可以被多个线程共享, 代码和线程独立.
线程池只能放入实现 Runable 或 Callable 类线程, 不能直接放入继承 Thread 的类.
扩充: 在 Java 中, 每次程序运行至少启动 2 个线程. 一个是 main 线程, 一个是垃圾收集线程. 因为每当使用 Java 命令执行一个类的时候, 实际上都会启动一个 JVM, 每一个 JVM 其实就是在操作系统中启动了一个进程.
2.5 匿名内部类方式实现线程的创建
使用线程的匿名内部类方式, 可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作.
使用匿名内部类的方式实现 Runnable 接口, 重新 Runnable 接口中的 run 方法:
- public class NoNameInnerClassThread {
- public static void main(String[] args) {
- // new Runnable(){
- // public void run(){
- // for (int i = 0; i < 20; i++) {
- // System.out.println("张宇:"+i);
- // }
- // }
- // }; //--- 这个整体 相当于 new MyRunnable()
- Runnable r = new Runnable(){
- public void run(){
- for (int i = 0; i < 20; i++) {
- System.out.println("张宇:"+i);
- }
- }
- };
- new Thread(r).start();
- for (int i =0; i < 20; i++){
- System.out.println("费玉清:" +i);
- }
- }
- }
第三章 线程安全
3.1 线程安全
如果有多个线程在同时运行, 而这些线程可能会同时运行这段代码. 程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的, 而且其他的变量的值也和预期的是一样的, 就是线程安全的.
我们通过一个案例, 演示线程的安全问题:
电影院要卖票, 我们模拟电影院的卖票过程. 假设要播放的电影是 "葫芦娃大战奥特曼", 本次电影的座位共 100 个(本场电影只能卖 100 张票).
我们来模拟电影院的售票窗口, 实现多个窗口同时卖 "葫芦娃大战奥特曼" 这场电影票(多个窗口一起卖这 100 张票).
需要窗口, 采用线程对象来模拟; 需要票, Runnable 接口子类来模拟
模拟票:
- public class Ticket implements Runnable {
- private int ticket = 100;
- // 执行卖票操作
- @Override
- public void run() {
- // 每个窗口卖票的操作
- // 窗口 永远开启
- while(true) {
- if (ticket> 0) {
- // 有票可以卖则出票操作
- // 使用 sleep 模拟出票时间
- try{
- Thread.sleep(100);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- // 获取当前线程对象的名字
- String name = Thread.currentThread().getName();
- System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
- }
- }
- }
- }
测试类:
- public class Demo {
- public static void main(String[] args) {
- // 创建线程对象任务
- Ticket ticket = new Ticket();
- // 创建三个窗口对象
- Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口 1");
- Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口 2");
- Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口 3");
- // 同时卖票
- t1.start();
- t2.start();
- t3.start();
- }
- }
结果中有一部分这样的现象:
发现程序出现了两个问题:
相同的票数, 比如 5 这张票被卖了两回.
不存在的票, 比如 0 票与 - 1 票, 是不存在的.
这种问题, 几个窗口 (线程) 票数不同步了, 这种问题称为线程不安全.
线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的. 若每个线程中对全局变量, 静态变量只有读操作, 而无写操作, 一般来说, 这个全局变量是线程安全的; 若有多个线程同时执行写操作, 一般都需要考虑线程同步, 否则的话就可能影响线程安全.
3.2 线程同步
当我们使用多个线程访问同一资源的时候, 且多个线程中对资源有写的操作, 就容易出现线程安全问题.
要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题: 也就是解决重复票与不存在票问题, Java 中提供了同步机制 (synchronized) 来解决.
根据案例简述:
窗口 1 线程进入操作的时候, 窗口 2 和窗口 3 线程只能在外等着, 窗口 1 操作结束, 窗口 1 和窗口 2 和窗口 3 才有机会进入代码去执行. 也就是说在某个线程修改共享资源的时候, 其他线程不能修改该资源, 等待修改完毕同步之后, 才能去抢夺 CPU 资源, 完成对应的操作, 保证了数据的同步性, 解决了线程不安全的现象
为了保证每个线程都能正常执行原子操作, Java 引入了线程同步机制.
那么怎么去使用呢? 有三种方式完成同步操作:
同步代码块
同步方法
锁机制
3.3 同步代码块
同步代码块: synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中, 表示只对这个区块的资源实行互斥访问.
格式:
synchronized(同步锁){
需要同步操作的代码
}
同步锁:
对象的同步锁只是一个概念, 可以想象为在对象上标记了一个锁.
锁对象 可以是任意类型.
多个线程对象 要使用同一把锁.
注意: 在任何时候, 最多允许一个线程拥有同步锁, 谁拿到锁就进入代码块, 其他的线程只能在外等着 (BLOCKED).
使用同步代码块解决代码:
- public class Ticket implements Runnable {
- private int ticket = 100;
- Object lock = new Object();
- // 执行卖票操作
- @Override
- public void run() {
- // 每个窗口卖票的操作
- // 窗口 永远开启
- while(true) {
- synchronized(lock) {
- if (ticket> 0) {
- // 有票可以卖则出票操作
- // 使用 sleep 模拟出票时间
- try{
- Thread.sleep(100);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- // 获取当前线程对象的名字
- String name = Thread.currentThread().getName();
- System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
- }
- }
- }
- }
- }
当使用了同步代码块后, 上述的线程的安全问题, 解决了.
3.4 同步方法
同步方法: 使用 synchronized 修饰的方法, 就叫做同步方法, 保证 A 线程执行该方法的时候, 其他线程只能在方法外等着.
格式:
- public synchronized void method() {
- // 可能会产生线程安全问题的代码
- }
同步锁是谁?
对于非 static 方法, 同步锁就是 this.
对于 static 方法, 我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名. class).
使用同步方法代码如下:
- public class Ticket implements Runnable {
- private int ticket = 100;
- // 执行卖票操作
- @Override
- public void run() {
- // 每个窗口卖票的操作
- // 窗口 永远开启
- while(true) {
- sellTicket();
- }
- }
- // 锁对象 是 谁调用这个方法 就是谁
- // 隐含 锁对象 就是 this
- public synchronized void sellTicket() {
- if (ticket> 0) {
- // 有票可以卖则出票操作
- // 使用 sleep 模拟出票时间
- try{
- Thread.sleep(100);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- // 获取当前线程对象的名字
- String name = Thread.currentThread().getName();
- System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
- }
- }
- }
3.5 Lock 锁
java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比 synchronized 代码块和 synchronized 方法更广泛的锁定操作, 同步代码块 / 同步方法具有的功能 Lock 都有, 除此之外更强大, 更体现面向对象.
Lock 锁也称同步锁, 加锁与释放锁方法化了, 如下:
public void lock()
: 加同步锁.
public void unlock()
: 释放同步锁.
使用如下:
- public class Ticket implements Runnable {
- private int ticket = 100;
- Lock lock = new ReentrantLock();
- // 执行卖票操作
- @Override
- public void run() {
- // 每个窗口卖票的操作
- // 窗口 永远开启
- while(true) {
- lock.lock();
- if (ticket> 0) {
- // 有票可以卖则出票操作
- // 使用 sleep 模拟出票时间
- try{
- Thread.sleep(100);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- // 获取当前线程对象的名字
- String name = Thread.currentThread().getName();
- System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
- }
- lock.unlock();
- }
- }
- }
第四章 线程状态
4.1 线程状态概述
当线程被创建并启动以后, 它既不是一启动就进入了执行状态, 也不是一直处于执行状态. 在线程的生命周期中, 有几种状态呢? 在 API 中 java.lang.Thread.State 这个枚举中给出了六种线程状态:
这里先列出各个线程状态发生的条件, 下面将会对每种状态进行详细解析
线程状态 | 导致状态发生条件 |
---|---|
NEW(新建) | 线程刚被创建,但是并未启动。还没调用 start 方法。 |
Runnable(可运行) | 线程可以在 Java 虚拟机中运行的状态,可能正在运行自己代码,也可能没有,这取决于操作系统处理器。 |
Blocked(锁阻塞) | 当一个线程试图获取一个对象锁,而该对象锁被其他的线程持有,则该线程进入 BLocked 状态;当该线程持有锁时,该线程将变成 Runnable 状态。 |
Waiting(无限等待) | 一个线程在等待另一个线程执行一个 (唤醒) 动作时,该线程进入 Waiting 状态。进入这个状态后是不能自动唤醒的,必须等待另一个线程调用 notify 或者 notifyAll 方法才能够唤醒 |
TimedWaiting(计时等待) | 同 waiting 状态,有几个方法有超时参数,调用他们将进入 TimedWaiting 状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有 Thread.sleep、Object.wait。 |
Teminated(被终止) | 因为 run 方法正常退出而死亡,或者因为没有捕获的异常终止了 run 方法而死亡。 |
我们不需要去研究这几种状态的实现原理, 我们只需知道在做线程操作中存在这样的状态. 那我们怎么去理解这几个状态呢, 新建与被终止还是很容易理解的, 我们就研究一下线程从 Runnable(可运行)状态与非运行状态之间的转换问题.
4.2 Timed Waiting(计时等待)
Timed Waiting 在 API 中的描述为: 一个正在限时等待另一个线程执行一个 (唤醒) 动作的线程处于这一状态. 单独的去理解这句话, 真是玄之又玄, 其实我们在之前的操作中已经接触过这个状态了, 在哪里呢?
在我们写卖票的案例中, 为了减少线程执行太快, 现象不明显等问题, 我们在 run 方法中添加了 sleep 语句, 这样就强制当前正在执行的线程休眠(暂停执行), 以 "减慢线程".
其实当我们调用了 sleep 方法之后, 当前执行的线程就进入到 "休眠状态", 其实就是所谓的 Timed Waiting(计时等待), 那么我们通过一个案例加深对该状态的一个理解.
实现一个计数器, 计数到 100, 在每个数字之间暂停 1 秒, 每隔 10 个数字输出一个字符串
代码:
- public class MyThread extends Thread{
- public void run() {
- for (int i = 0; i <100; i++) {
- if (i % 10 == 0) {
- System.out.println("--------" + i);
- }
- System.out.print(i);
- try{
- Thread.sleep(1000);
- System.out.print("线程睡眠 1s!\n");
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- public static void main(String[] args) {
- new MyThread().start();
- }
- }
通过案例可以发现, sleep 方法的使用还是很简单的. 我们需要记住下面几点:
进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法, 单独的线程也可以调用, 不一定非要有协作关系.
为了让其他线程有机会执行, 可以将 Thread.sleep()的调用放线程 run()之内. 这样才能保证该线程执行过程 中会睡眠
sleep 与锁无关, 线程睡眠到期自动苏醒, 并返回到 Runnable(可运行)状态.
tips:sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间. 因此, sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始立刻执行.
Timed Waiting 线程状态图:
4.3 BLOCKED (锁阻塞)
Blocked 状态在 API 中的介绍为: 一个正在阻塞等待一个监视器锁 (锁对象) 的线程处于这一状态.
我们已经学完同步机制, 那么这个状态是非常好理解的了. 比如, 线程 A 与线程 B 代码中使用同一锁, 如果线程 A 获取到锁, 线程 A 进入到 Runnable 状态, 那么线程 B 就进入到 Blocked 锁阻塞状态.
这是由 Runnable 状态进入 Blocked 状态. 除此 Waiting 以及 Time Waiting 状态也会在某种情况下进入阻塞状态, 而这部分内容作为扩充知识点带领大家了解一下.
Blocked 线程状态图
4.4 Waiting (无限等待)
Wating 状态在 API 中介绍为: 一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的 (唤醒) 动作的线程处于这一状态.
那么我们之前遇到过这种状态吗? 答案是并没有, 但并不妨碍我们进行一个简单深入的了解. 我们通过一段代码来学习一下:
- public class WaitingTest {
- public static Object obj = new Object();
- public static void main(String[] args) {
- // 演示 waiting
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- while (true){
- synchronized (obj){
- try {
- System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"=== 获取到锁对象, 调用 wait 方法, 进入 waiting 状态, 释放锁对象");
- obj.wait(); // 无限等待
- //obj.wait(5000); // 计时等待, 5 秒 时间到, 自动醒来
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "=== 从 waiting 状 态醒来, 获取到锁对象, 继续执行了");
- }
- }
- }
- },"等待线程").start();
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- // while (true){ // 每隔 3 秒 唤醒一次
- try {
- System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"----- 等待 3 秒钟");
- Thread.sleep(3000);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- synchronized (obj){
- System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"----- 获取到锁对 象, 调用 notify 方法, 释放锁对象");
- obj.notify();
- }
- }
- // }
- },"唤醒线程").start();
- }
- }
通过上述案例我们会发现, 一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的 Object.notify()方法 或 Object.notifyAll()方法.
其实 waiting 状态并不是一个线程的操作, 它体现的是多个线程间的通信, 可以理解为多个线程之间的协作关系, 多个线程会争取锁, 同时相互之间又存在协作关系. 就好比在公司里你和你的同事们, 你们可能存在晋升时的竞争, 但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务.
当多个线程协作时, 比如 A,B 线程, 如果 A 线程在 Runnable(可运行)状态中调用了 wait()方法那么 A 线程就进入了 Waiting(无限等待)状态, 同时失去了同步锁. 假如这个时候 B 线程获取到了同步锁, 在运行状态中调用了 notify()方法, 那么就会将无限等待的 A 线程唤醒. 注意是唤醒, 如果获取到锁对象, 那么 A 线程唤醒后就进入 Runnable(可运行)状态; 如果没有获取锁对象, 那么就进入到 Blocked(锁阻塞状态).
Waiting 线程状态图
4.5 补充知识点
到此为止我们已经对线程状态有了基本的认识, 想要有更多的了解, 详情可以见下图:
一条有意思的 tips: 我们在翻阅 API 的时候会发现 Timed Waiting(计时等待) 与 Waiting(无限等待) 状态联系还是很紧密的, 比如 Waiting(无限等待) 状态中 wait 方法是空参的, 而 timed waiting(计时等待) 中 wait 方法是带参的. 这种带参的方法, 其实是一种倒计时操作, 相当于我们生活中的小闹钟, 我们设定好时间, 到时通知, 可是 如果提前得到 (唤醒) 通知, 那么设定好时间在通知也就显得多此一举了, 那么这种设计方案其实是一举两 得. 如果没有得到 (唤醒) 通知, 那么线程就处于 Timed Waiting 状态, 直到倒计时完毕自动醒来; 如果在倒 计时期间得到 (唤醒) 通知, 那么线程从 Timed Waiting 状态立刻唤醒.
第五章 等待唤醒机制
5.1 线程间通信
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.
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.
5.2 等待唤醒机制
什么是等待唤醒机制
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
等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的, 使用到的 3 个方法的含义如下:
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:
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
调用 wait 和 notify 方法需要注意的细节
wait 方法与 notify 方法必须要由同一个锁对象调用. 因为: 对应的锁对象可以通过 notify 唤醒使用同一个锁对象调用的 wait 方法后的线程.
wait 方法与 notify 方法是属于 Object 类的方法的. 因为: 锁对象可以是任意对象, 而任意对象的所属类都是继承了 Object 类的.
wait 方法与 notify 方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用. 因为: 必须要通过锁对象调用这 2 个方法.
5.3 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:
- 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:
- 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){
- if(bz.flag == false){// 没包子
- try {
- bz.wait();
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- System.out.println("吃货正在吃"+bz.pier+bz.xianer+"包子");
- bz.flag = false;
- bz.notify();
- }
- }
- }
- }
包子铺线程类:
- 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++;
- 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();
- }
- }
执行效果:
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
第六章 线程池
6.1 线程池思想概述
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. 下面我们就来详细讲解一下 Java 的线程池.
6.2 线程池概念
线程池: 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:
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).
6.3 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:
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:
public Future<?> submit(Runnable task): 获取线程池中的某一个线程对象, 并执行
Future 接口: 用来记录线程任务执行完毕后产生的结果. 线程池创建与使用.
使用线程池中线程对象的步骤:
创建线程池对象.
创建 Runnable 接口子类对象.(task)
提交 Runnable 接口子类对象.(take task)
关闭线程池(一般不做).
Runnable 实现类代码:
- 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
- ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);// 包含 2 个线程对象
- // 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();
- }
- }
来源: https://www.cnblogs.com/p1ng/p/12263109.html