第二十四天 多线程-多线程&线程安全【悟空教程】 第24天 多线程 学习多线程之前,我们先要了解几个关于多线程有关的概念。 进程:进程指正在运行的程序。确切的来说,当一个程序进入内存运行,即变成一个进程,进程是处于运行过程中的程序,并且具有一定独立功能。 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 什么是多线程呢?即就是一个程序中有多个线程在同时执行。 通过下图来区别单线程程序与多线程程序的不同: 单线程程序:即,若有多个任务只能依次执行。当上一个任务执行结束后,下一个任务开始执行。如,去网吧上网,网吧只能让一个人上网,当这个人下机后,下一个人才能上网。 多线程程序:即,若有多个任务可以同时执行。如,去网吧上网,网吧能够让多个人同时上网。 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。 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:现在我们上课一边使用编辑器,一边使用录屏软件,同时还开着画图板,dos窗口等软件。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。 回想我们以前学习中写过的代码,当我们在dos命令行中输入java空格类名回车后,启动JVM,并且加载对应的class文件。虚拟机并会从main方法开始执行我们的程序代码,一直把main方法的代码执行结束。如果在执行过程遇到循环时间比较长的代码,那么在循环之后的其他代码是不会被马上执行的。如下代码演示: class Demo{ String name; Demo(String name){ this.name = name; } void show() { for (int i=1;i<=10000 ;i++ ) { System.out.println("name="+name+",i="+i); } } } class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { Demo d = new Demo("小强"); Demo d2 = new Demo("旺财"); d.show(); d2.show(); System.out.println("Hello World!"); } } 若在上述代码中show方法中的循环执行次数很多,这时在d.show();下面的代码是不会马上执行的,并且在dos窗口会看到不停的输出name=小强,i=值,这样的语句。为什么会这样呢? 原因是:jvm启动后,必然有一个执行路径(线程)从main方法开始的,一直执行到main方法结束,这个线程在java中称之为主线程(main线程)。当程序的主线程执行时,如果遇到了循环而导致程序在指定位置停留时间过长,则无法马上执行下面的程序,需要等待循环结束后能够执行。 那么,能否实现一个主线程负责执行其中一个循环,再由另一个线程负责其他代码的执行,最终实现多部分代码同时执行的效果? 能够实现同时执行,通过Java中的多线程技术来解决该问题。 该如何创建线程呢?通过API中搜索,查到Thread类。通过阅读Thread类中的描述。Thread是程序中的执行线程。Java 虚拟机允许应用程序并发地运行多个执行线程。 构造方法 常用方法 继续阅读,发现创建新执行线程有两种方法。 一种方法是将类声明为 Thread 的子类。该子类应重写 Thread 类的 run 方法。创建对象,开启线程。run方法相当于其他线程的main方法。 另一种方法是声明一个实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象,传入到某个线程的构造方法中,开启线程。 创建线程的步骤: 1 定义一个类继承Thread。 2 重写run方法。 3 创建子类对象,就是创建线程对象。 4 调用start方法,开启线程并让线程执行,同时还会告诉jvm去调用run方法。 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); } } } l 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); } } } 思考:线程对象调用 run方法和调用start方法区别? 线程对象调用run方法不开启线程,仅是对象调用方法。线程对象调用start开启线程,并让jvm调用run方法在开启的线程中执行。 我们为什么要继承Thread类,并调用其的start方法才能开启线程呢? 继承Thread类:因为Thread类用来描述线程,具备线程应该有功能。那为什么不直接创建Thread类的对象呢?如下代码: Thread t1 = new Thread(); t1.start();//这样做没有错,但是该start调用的是Thread类中的run方法,而这个run方法没有做什么事情,更重要的是这个run方法中并没有定义我们需要让线程执行的代码。 创建线程的目的是什么? 是为了建立程序单独的执行路径,让多部分代码实现同时执行。也就是说线程创建并执行需要给定线程要执行的任务。 对于之前所讲的主线程,它的任务定义在main函数中。自定义线程需要执行的任务都定义在run方法中。 Thread类run方法中的任务并不是我们所需要的,只有重写这个run方法。既然Thread类已经定义了线程任务的编写位置(run方法),那么只要在编写位置(run方法)中定义任务代码即可。所以进行了重写run方法动作。 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。 开启的线程都会有自己的独立运行栈内存,那么这些运行的线程的名字是什么呢?该如何获取呢?既然是线程的名字,按照面向对象的特点,是哪个对象的属性和谁的功能,那么我们就去找那个对象就可以了。查阅Thread类的API文档发现有个方法是获取当前正在运行的线程对象。还有个方法是获取当前线程对象的名称。既然找到了,我们就可以试试。 Thread.currentThread()获取当前线程对象 Thread.currentThread().getName();获取当前线程对象的名称 class MyThread extends Thread { //继承Thread MyThread(String name){ super(name); } //复写其中的run方法 public void run(){ for (int i=1;i<=20 ;i++ ){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",i="+i); } } } class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { //创建两个线程任务 MyThread d = new MyThread(); MyThread d2 = new MyThread(); d.run();//没有开启新线程, 在主线程调用run方法 d2.start();//开启一个新线程,新线程调用run方法 } } 通过结果观察,原来主线程的名称:main;自定义的线程:Thread-0,线程多个时,数字顺延。如Thread-1...... 进行多线程编程时,不要忘记了Java程序运行是从主线程开始,main方法就是主线程的线程执行内容。 创建线程的另一种方法是声明实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象,传入到某个线程的构造方法中,开启线程。 为何要实现Runnable接口,Runable是啥玩意呢?继续API搜索。 查看Runnable接口说明文档:Runnable接口用来指定每个线程要执行的任务。包含了一个 run 的无参数抽象方法,需要由接口实现类重写该方法。 接口中的方法 Thread类构造方法 创建线程的步骤。 1、定义类实现Runnable接口。 2、覆盖接口中的run方法。。 3、创建Thread类的对象 4、将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数。 5、调用Thread类的start方法开启线程。 代码演示: public class Demo02 { public static void main(String[] args) { //创建线程执行目标类对象 Runnable runn = new MyRunnable(); //将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数 Thread thread = new Thread(runn); Thread thread2 = new Thread(runn); //开启线程 thread.start(); thread2.start(); for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("main线程:正在执行!"+i); } } } 自定义线程执行任务类 public class MyRunnable implements Runnable{ //定义线程要执行的run方法逻辑 @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("我的线程:正在执行!"+i); } } } 为什么需要定一个类去实现Runnable接口呢?继承Thread类和实现Runnable接口有啥区别呢? 实现Runnable接口,避免了继承Thread类的单继承局限性。覆盖Runnable接口中的run方法,将线程任务代码定义到run方法中。 创建Thread类的对象,只有创建Thread类的对象才可以创建线程。线程任务已被封装到Runnable接口的run方法中,而这个run方法所属于Runnable接口的子类对象,所以将这个子类对象作为参数传递给Thread的构造函数,这样,线程对象创建时就可以明确要运行的线程的任务。 第二种方式实现Runnable接口避免了单继承的局限性,所以较为常用。实现Runnable接口的方式,更加的符合面向对象,线程分为两部分,一部分线程对象,一部分线程任务。 第一种方式继承Thread类,线程对象和线程任务耦合在一起。一旦创建Thread类的子类对象,既是线程对象,有又有线程任务。 实现runnable接口,将线程任务单独分离出来封装成对象,类型就是Runnable接口类型。Runnable接口对线程对象和线程任务进行解耦。 方式一:直接自定义了一种线程。同时规定了线程中要执行的逻辑 方式二:直接创建了普通的Thread线程,自定义了线程要执行的目标,将线程与线程执行目标分离。方便了多线程共享数据、躲避了不能多继承的业务实现,提高了代码复用性,优化了代码。 使用线程的内匿名内部类方式,可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。 方式1:创建线程对象时,直接重写Thread类中的run方法 new Thread() { public void run() { for (int x = 0; x < 40; x++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "...X...." + x); } } }.start(); 方式2: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 Runnable r = new Runnable() { public void run() { for (int x = 0; x < 40; x++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "...Y...." + x); } } }; new Thread(r).start(); 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 “功夫熊猫3”,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 “功夫熊猫3”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 测试类 public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { //创建票对象 Ticket ticket = new Ticket(); //创建3个窗口 Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1"); Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2"); Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3"); t1.start(); t2.start(); t3.start(); } } 模拟票 public class Ticket implements Runnable { //共100票 int ticket = 100; @Override public void run() { //模拟卖票 while(true){ if (ticket > 0) { //模拟选坐的操作 try { Thread.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--); } } } } 运行结果发现:上面程序出现了问题 票出现了重复的票 错误的票 0、-1 其实,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。 java中提供了线程同步机制,它能够解决上述的线程安全问题。 线程同步的方式有两种: 方式1:同步代码块 方式2:同步方法 同步代码块: 在代码块声明上 加上synchronized synchronized (锁对象) { 可能会产生线程安全问题的代码 } 同步代码块中的锁对象可以是任意的对象;但多个线程时,要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。 使用同步代码块,对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改: public class Ticket implements Runnable { //共100票 int ticket = 100; //定义锁对象 Object lock = new Object(); @Override public void run() { //模拟卖票 while(true){ //同步代码块 synchronized (lock){ if (ticket > 0) { //模拟电影选坐的操作 try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--); } } } } } 当使用了同步代码块后,上述的线程的安全问题,解决了。 同步方法:在方法声明上加上synchronized public synchronized void method(){ 可能会产生线程安全问题的代码 } 同步方法中的锁对象是 this 使用同步方法,对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改: public class Ticket implements Runnable { //共100票 int ticket = 100; //定义锁对象 Object lock = new Object(); @Override public void run() { //模拟卖票 while(true){ //同步方法 method(); } } //同步方法,锁对象this public synchronized void method(){ if (ticket > 0) { //模拟选坐的操作 try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--); } } } 静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized public static synchronized void method(){ 可能会产生线程安全问题的代码 } 静态同步方法中的锁对象是 类名.class 同步锁使用的弊端:当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时,如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象:程序出现无限等待,这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。 synchronzied(A锁){ synchronized(B锁){ } } 我们进行下死锁情况的代码演示: 定义锁对象类 public class MyLock { public static final Object lockA = new Object(); public static final Object lockB = new Object(); } 线程任务类 public class ThreadTask implements Runnable { int x = new Random().nextInt(1);//0,1 //指定线程要执行的任务代码 @Override public void run() { while(true){ if (x%2 ==0) { //情况一 synchronized (MyLock.lockA) { System.out.println("if-LockA"); synchronized (MyLock.lockB) { System.out.println("if-LockB"); System.out.println("if大口吃肉"); } } } else { //情况二 synchronized (MyLock.lockB) { System.out.println("else-LockB"); synchronized (MyLock.lockA) { System.out.println("else-LockA"); System.out.println("else大口吃肉"); } } } x++; } } } 测试类 public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { //创建线程任务类对象 ThreadTask task = new ThreadTask(); //创建两个线程 Thread t1 = new Thread(task); Thread t2 = new Thread(task); //启动线程 t1.start(); t2.start(); } } 查阅API,查阅Lock接口描述,Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。 Lock接口中的常用方法 Lock提供了一个更加面对对象的锁,在该锁中提供了更多的操作锁的功能。 我们使用Lock接口,以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步,对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改: public class Ticket implements Runnable { //共100票 int ticket = 100; //创建Lock锁对象 Lock ck = new ReentrantLock(); @Override public void run() { //模拟卖票 while(true){ //synchronized (lock){ ck.lock(); if (ticket > 0) { //模拟选坐的操作 try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--); } ck.unlock(); //} } } } 答案: public class Test01 { public static void main(String[] args) { //创建一个子线程对象 Thread son = new Thread(new Son()); son.start();//开启子线程 while(true){ System.out.println("主线程执行"); } } } //创建一个子线程类 class Son implements Runnable { public void run() { while(true){ System.out.println("子线程执行...."); } } } “显示画面”,要求线程实现Runnable接口,且使用匿名内部类实现 答案: public class Test02_Thread { public static void main(String[] args) { new Thread(new Runnable(){ @Override public void run() { while(true){ System.out.println("播放背景音乐"); } } }).start(); new Thread(new Runnable(){ @Override public void run() { while(true){ System.out.println("显示画面"); } } }).start(); } } 答案: public class Test02 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException { ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor(); //创建的是Callable对象 Future<Integer> f = es.submit(new Callable<Integer>() { @Override public Integer call() throws Exception { //求和并返回结果 int sum = 0; for(int i = 1; i <= 100; i++){ sum += i; } return sum; } }); //获取结果 System.out.println(f.get()); es.shutdown(); } } |
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