Java线程相关知识

一、相关概念：

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
线程：

  • 是进程中的一个执行路径，共享一个内存空间，线程之间可以自由切换，并发执行，一个进程最少有一个线程
  • 线程时间上是在进程的基础之上进一步划分，一个进程启动之后，里面的若干执行路径又可以划分成若干个线程
  • 每个线程都拥有自己的栈空间，但是会共用一份堆内存

同步：排队执行，效率低但是安全
异步：同时执行，效率高但是数据不安全

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）

线程的生命周期：

  • NEW：尚未启动的线程
  • Runnable：在Java虚拟机中执行的线程
  • Blocked：被阻塞等待监视器锁定的线程
  • Waiting：无期限等待另一个线程执行特定操作的线程
  • Timed_Waiting：正在等待另一个线程执行最多指定等待时间的操作的线程
  • Terminated：已经退出的线程

二、多线程技术：

两种开启多线程的方式：

  1. 继承Thread类的方式开启：
    内部重写run方法，run方法就是线程要执行的任务方法，是一条新的执行路径，需要通过调用start方法触发
  2. 实现Runnable接口的方式开启：（较为常用）
    实现接口的抽象方法run()，在主线程中，创建一个任务对象，再创建一个线程，将任务对象传入，调用线程的start方法触发

声明实现Runnable接口的优点：

  • 通过创建任务，然后给线程分配的方式来实现的多线程，更适合多个线程同时执行相同任务的情况
  • 可以避免单继承所带来的局限性
  • 任务与线程本身是分离的，提高了程序的健壮性，减少程序间的耦合
  • 后续学习的线程池技术，接收Runnable类型的任务，不接收Thread类型的线程

三、线程安全问题：

解决方案1：
隐式锁，同步代码块
格式：

synchronized(锁对象) {
                        要执行的代码；
                     }

解决方案2：
隐式锁，同步方法（可以被static修饰）

  • 若不是静态，则锁对象为调用同步方法的对象
  • 若为静态，则锁对象为==类名.Class==

Synchroized关键字特性：

  1. 原子性（互斥性）：实现多线程的同步机制，使得锁内代码的运行必须先获得对应的锁，运行完后自动释放对应的锁
  2. 内存可见性：在同一锁的情况下，synchronized锁内的代码保证变量的可见性
  3. 可重入性：当一个线程获取一个对象的锁，再次请求改对象的锁时，是可以再次获取该对象的锁的

注意：如果在synchronized锁内发生异常，锁将会被释放

总结：

  • synchronized会自动释放锁
  • synchronized方法与synchronized(this)代码块，锁定的都是当前的对象，不同的只是同步代码的范围
  • 静态synchronized方法与synchronized(class)代码块，锁定的都是Class锁，与对象锁不是同一个锁，两者同时使用可能会出现异步执行的效果
  • 尽量不要使用synchronized(String)，因为String的实际锁为String的常量池对象，多个值相同的String对象可能持有同一个锁

解决方案3：
显式锁 Lock 子类 ReentrantLock

private java.util.concurrent.locks.Lock lock = new ReentrantLock();
public void method() {
        try {
            lock.lock();
            //获取到锁lock的同步块
        } finally {
            lock.unlock();    //释放锁lock
        }
}

优点：

  • 要求程序员手动释放锁，且一定要在finally代码块中释放
  • 具有公平策略的选择，防止一个线程结束后立即重新获得运行权，在构造对象时，传入true参数：Lock lock = new ReentrantLock(true)：
  • 可以在获取锁的时候进行有条件的获取，可以设置等待时间，避免产生死锁问题：tryLock()和 tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
  • 可以获取锁的各种信息，可以用来监控锁的各种状态
  • 可以利用Condition中的singal方法，实现对需要唤醒线程的精确控制

四、带返回值的线程：

//1. 编写实现类，实现Callable接口，并重写call方法：
class Mycallable implements Callable<T> {
          @Override
          public <T> call() throws Exception {
                 return T;
          }
}

//2. 创建FutureTask对象，并传入第一部编写的Callable实现类对象
FutureTask<Integer> future = new FutureTask<>(new Mycallable());

//3. 通过Thread，启动线程
new Thread(future).start();

五、线程池：

意义：如果并发的线程数量很多，并且每个线程都仅仅执行一个很短时间的任务，那么此时频繁创建线程就会大大降低系统的效率。线程池就是一个可以容纳多个线程的容器，池中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，节省了大量的时间和资源

好处：

  • 降低资源消耗
  • 提高响应速度
  • 提高线程的可管理性

分类：

  • 缓存线程池：（长度无限制）

    1. 判断线程池是否存在空闲线程
    2. 存在则使用
    3. 不存在则创建线程，并放入线程池，然后使用
      适用：执行很多短期异步的小程序或者负载较轻的服务器 
public static void cacheThreadPool() {
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            final int ii = i;
            try {
                Thread.sleep(ii * 1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            cachedThreadPool.execute(()->out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行" + ii));
        }

    }

  • 定长线程池：（长度是指定的数值）

    1. 判断线程池是否存在空闲线程
    2. 存在则使用
    3. 不存在空闲线程，且线程池未满的情况下，则创建线程并放入线程池，然后使用
    4. 不存在空闲线程，且线程池已满的情况下，则等待线程池存在空闲线程
      适用：执行长期的任务，性能会好很多 
public static void fixTheadPoolTest() {
        ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int ii = i;
            fixedThreadPool.execute(() -> {
                out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行" + ii);
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }

  • 单线程线程池：

    1. 判断线程池的线程是否空闲
    2. 空闲则使用
    3. 不空闲，则等待池中的单个线程空闲后使用
      适用：一个任务一个任务执行的场景 
public static void singleTheadPoolTest() {
        ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int ii = i;
            pool.execute(() -> out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + ii));
        }
    }

  • 周期性任务定长线程池：

    1. 判断线程池是否存在空闲线程
    2. 存在则使用
    3. 不存在空闲线程，且线程池未满的情况下，则创建线程，并放入线程池，然后使用
    4. 不存在空闲线程，且线程池已满的情况下，则等待线程池存在空闲线程
      周期性任务执行时：定时执行，当某个时机出发时，自动执行某任务
      适用：周期性执行任务的场景
    • 定时执行一次：
      1. 参数1：定时执行的任务
      2. 参数2：时长数字
      3. 参数3：时长数字的时间单位，TimeUnit的常量指定
    • 周期执行的任务：
      1. 参数1：任务
      2. 参数2：延迟时长数字（第一次执行在什么时间后）
      3. 参数3：周期时长数字（每隔多久执行一次）
      4. 参数4：时长数字的单位
public static void sceduleThreadPool() {
        ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        Runnable r1 = () -> out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行:3秒后执行");
        scheduledThreadPool.schedule(r1, 3, TimeUnit.SECONDS);
        Runnable r2 = () -> out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行:延迟2秒后每3秒执行一次");
        scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(r2, 2, 3, TimeUnit.SECONDS);
        Runnable r3 = () -> out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行:普通任务");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            scheduledThreadPool.execute(r3);
        }
    }
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