到现在为止,我们所书写的程序在任意时刻只能运行一件任务。编程问题中的大部分都可以通过这种顺序编程方式来解决。然而,在某些情况下,如果能够并行的运行程序中的多个部分,那么就可以使程序运行速度得到极大的提升。Java语言内置了多线程技术。在这我们将讨论如何使用Java中提供的多线程技术,实现在一个程序中并发运行多个任务的功能。
1. 多任务处理
现代计算机都是可以同时执行多项任务的。比如,我可以同时运行微信、QQ、钉钉等一系列软件。对我们来说,这些软件是同步在运行的,但真相并非如此。当我们在同时运行多个软件时,实际上,对一个CPU而言,它在某一时间点上只能运行一个任务,可以同时运行多个任务是CPU对多个任务同时交替执行而实现的。我们之所以感觉不到中断现象,是因为相对于人而言,CPU的速度实在是太快了。
2. 进程和线程
计算机中可以并发运行多个程序通常是由操作系统实现的。一个正在运行的程序通常称为一个进程(Process),每个进程都有自己独立运行的一块内存空间,每个进程的内部数据和状态都是完全独立的。
在进程内部有时会需要同时执行多个子任务。例如,我们在使用Word时,可以一边打字,一边拼写检查,同时还可以在后台进行打印,我们把子任务称为线程。
那进程和线程的关系是怎样的呢?
一个进程可以包含一个或多个线程,但至少会有一个线程。
线程存在于进程之中,二者之间主要区别在于,每个进程都需要操作系统为其分配独立的内存空间,而同一进程中的所有线程都在同一工作空间中工作,这些线程可以共享同一块内存和系统资源。
注意:操作系统调度的最小任务单位其实不是进程而是线程。
2.1 实现多任务的几种方式
- 多进程模式(每个进程只有一个线程)
- 多线程模式(一个进程有多个线程)
- 多进程+多线程模式(最复杂)
具体采用那种方式,要考虑到进程和线程的特点。
两者对比:
- 创建进程比创建线程开销大
- 进程间通信比线程间通信要慢,因为线程间通信就是读写同一个变量,速度很快。
- 多进程稳定性比多线程高,因为在多进程的情况下,一个进程崩溃不会影响其他进程,而在多线程的情况下,任何一个线程崩溃都会导致整个进程崩溃。
3. 多线程
Java语言内置了多线程支持,一个Java程序实际上是一个JVM进程,JVM进程用一个主线程来执行main方法,在main方法内部,我们有可以启动多个线程,此外,JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。简单的说,main方法一执行,就开启了主线程。每个进程至少都有一个主线程。
主进程的特点:最先开始、最先结束、产生其他的子线程、子线程结束后,清理子线程占用的内存资源。
线程是一个动态执行的过程,它也有一个从产生到死亡的过程,而这个过程呢就是我们所谓的生命周期。那我们就从线程的生命周期开始学习。
3.1 一个线程的生命周期
线程的生命周期包含5个阶段,包括:新建、就绪、运行、阻塞、死亡。
- 新建:使用new方法,new出线程,此时仅由Java虚拟机为其分配内存,并初始化成员变量的值。--此时仅为对象
- 就绪:调用线程的start方法后,此时线程处于等待CPU调度执行的阶段。-- 不是执行了start方法后,此线程就会立刻执行。
- 运行:当处于就绪的线程被调度并获得CPU资源时,便进入运行状态。(当处于就绪状态的线程获得CPU,他就会执行run方法)
对于一个单核CPU而言,同时只能执行一条指令,而JVM通过快速切换线程执行指令来达到多线程的,只是这种切换速度很快,我们感知不到罢了。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每个线程都有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储。 - 阻塞:线程处于运行状态时,可能因为某些原因导致运行状态的线程变成了阻塞状态。
原因:等待I/O流的输入/输出、等待网络资源(网速)、调用sleep方法、调用wait方法、其他线程执行join方法、线程优先级比较低 - 死亡:run方法执行完成;
线程正常结束、线程抛出未被捕获的异常或错误;
直接调用线程的stop方法结束线程--该方法容易导致死锁,通 常不建议使用。
当线程进入运行状态后,一般的操作系统是采用抢占式的方式来让线程获取CPU,所以CPU需要在多条线程之间切换,于是线程状态也会多次在运行、阻塞、就绪之间切换。
举例:去饭店吃饭,准备去吃饭就是新建状态(new),饭店生意火爆要排队,排队就是就绪状态(Runnable),轮到你了,吃饭就是运行状态(Running),准备发现没有碗筷,要等待别人给你送过来,这个状态就是阻塞(Blocked),等你吃完饭出来,吃饭这个事情就结束了,就是死亡状态了。
3.2 线程的创建和启动
- 继承Thread类,并重写run方法
1. public class MyThread extends Thread{
public void run(){
// 线程需要执行的业务操作
}
}
// 启动
MyThread mt = new MyThread();
mt.start();
- 实现Runnable接口,实现run方法
1. public class MyThread implements Runnable{
public void run(){
// 线程需要执行的业务操作
}
}
// 启动
MyThread mt = new Thread(new MyThread());
mt.start();
- 实现Callable接口,实现call方法(Callable接口是为了解决Runnable接口没有返回值缺陷而产生的。实现Callable接口可以得到线程执行完毕后的返回值。)
public class MyThread implements Callable<String>{
public String call() throws Exception {
// 线程需要执行的业务操作
return null;
}
}
// 启动
FutureTask<String> ft = new FutureTask(new MyThread());
MyThread mt = new Thread(ft);
-
mt.start(); 注:线程的启动,是调用start()方法。线程启动后,就会执行线程类中的run()/call()方法,完成线程业务的处理。
那么,能不能直接调用run()方法呢?
调用start()和调用run()方法,具有不同的含义:
调用start方法,会在主线程基础上,开启新的子线程
调用run方法,只是普通方法调用。不会在主线程的基础上,开启新的子线程。 - 线程池创建
问题:当我们的程序,需要大量通过new Thread()方法创建执行时间短的线程,会消耗很多的系统资源导致系统的响应速度变慢。
解决办法: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)
使用线程池的步骤:
- 创建线程池对象
- 创建Runnable/Callable 接口子类对象
- 提交 Runnable/Callable 接口子类对象
- 关闭线程池
// 创建一个无限大的线程池,适用于负载较轻的场景
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
// 创建一个固定大小的线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
// 创建一个单线程的线程池
ExecutorService service = Executors.newSingleThreadExecutor();
service.excute(Runnable);
Future<V> result = service.submit(Callable<V>);
V value = result.get();
注意:创建一个线程数为n的线程池后,可以提交超出线程个数n的任务,但是只能同时执行的任务个数为n,等有线程空闲后,才会执行后续的任务
// 创建一个固定大小的线程池,指定演示,使用于执行延时或周期性任务
ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThread(5);
// 延迟1秒后每3秒执行一次
service3.scheduleAtFixedRate(new Task("AtFixedRate"),1,3,TimeUnit.SECONDS);
- 线程的优先级线程的优先级是指,当两个或两个以上的线程同时处于就绪状态时,优先级高的线程会优先得到执行。 // 关于优先级的方法:
1. final void setPriority(int newp) 修改线程的当前优先级
final int getPriority() 返回线程的优先级
3.3 线程的同步
程序在执行过程中,可能会发生两个或多个线程同时访问一个资源的情况。
出现这样的情况后,可能会引发一些安全性的问题。出现安全性的问题怎么解决呢?可以设置线程的同步。
什么是线程同步呢?线程同步是指,当两个或两个以上的线程同时访问同一个资源时,为了确保数据的安全,只允许同一时间点,同一个共享资源
只被一个线程进行访问。线程同步也称为线程安全。
线程同步的结果:
- 数据安全
- 效率低下
那怎么实现线程同步?使用同步关键字synchronized来进行标识,实现的方式有两种,同步方法和同步块
class Account{
/** 账户余额 */
private volatile int money = 31000;
// 同步方法
public synchronized boolean getMoney(int nums){
if(nums < money){
this.money -= nums;
System.out.println("取钱成功,取款金额" + nums + ",余额" + this.money);
try {
Thread.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return true;
}else {
System.out.println("取款失败,余额不足");
return false;
}
}
// 同步块
public boolean getMoney1(int nums){
synchronized (this){
if(nums < money){
this.money -= nums;
System.out.println("取钱成功,取款金额" + nums + ",余额" + this.money);
try {
Thread.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return true;
}else {
System.out.println("取款失败,余额不足");
return false;
}
}
}
}
class Get implements Runnable{
private Account account;
private int nums;
public Get(Account account,int nums){
this.account = account;
this.nums = nums;
}
@Override
public void run() {
while (account.getMoney(nums)){
}
}
}
3.4 死锁
死锁是指在多线程情况下,多个线程同步竞争相互依赖的资源,从而造成多线程无法继续执行的情况。死锁很少发生,但一旦发生就很难调试。
举例子:当我们在乡间小路驾车行驶时,如果遇到对向来车,然后自己和对方互不相让,我们此时就是在同步竞争相互依赖的资源。
public class Die {
public static void main(String[] args) {
Obj a = new Obj();
Obj b = new Obj();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (a){
try {
Thread.sleep(300);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
b.test();
}
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (b){
try {
Thread.sleep(300);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
a.test();
}
}
}).start();
}
}
class Obj{
public synchronized void test(){
System.out.println("方法调用");
}
}
3.5 wait-notify机制及生产者消费者模型
多线程机制,使得我们可以将需要完成的任务分为多个逻辑单元,并交给不同的线程完成。在线程同步的情况下,当一个线程在访问一个共享资源时,别的线程只能针对该资源进行等待访问。并且为避免死锁的情况出现,应当一个线程在访问完毕共享资源时,通知别的线程可以对共享资源进行访问。
问题来了,如何通知呢?
Java提供了wait-notify机制,完成线程间的通信。
- Java使用wait()、notify()和notifyAll()方法,完成线程间的通信。这些方法是作为 Object 类中的 final 方法实现的。这三个方法仅在 synchronized 方法中才能被调用。
- wait()方法告知被调用的线程退出监视器并进入等待状态,直到其他线程进入相同的监视器并调用 notify( ) 方法。
- notify( ) 方法通知同一对象上第一个调用 wait( )线程。
- notifyAll() 方法通知调用 wait() 的所有线程,具有最高优先级的线程将先运行。
我们可以通过Java代码实现生产者消费者模型辅助理解wait-notify机制
public class WaitNotify {
public static void main(String[] args) {
Factory factory = new Factory();
new Thread(new Producer(factory)).start();
new Thread(new Consumer(factory)).start();
}
}
class Producer implements Runnable{
private Factory factory;
public Producer(Factory factory){
this.factory = factory;
}
@Override
public void run() {
for(int i = 1;i <= 50;i++){
this.factory.add(i);
}
}
}
class Consumer implements Runnable{
private Factory factory;
public Consumer(Factory factory){
this.factory = factory;
}
@Override
public void run() {
for(int i = 1;i <=50;i++){
this.factory.del();
}
}
}
// 供货工厂
class Factory{
// 保存货物
int[] foods = new int[10];
// 计数器 记录当前工厂商品数量
int count = 0;
// 生产
public synchronized void add(int food){
// 判断商品库存是否达到极限
if(foods.length == count){
try {
// 生产者不再生产
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if(count < foods.length){
// 生产
foods[count] = food;
count++;
System.out.println("生产者生产第" + food + "只炸鸡");
// 叫消费来吃鸡
this.notifyAll();
}
}
// 消费
public synchronized void del(){
if(count == 0){
try {
// 通知消费者休息
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
if(count != 0){
int food = foods[--count];
System.out.println("消费者吃了第" + food + "只炸鸡");
this.notifyAll();
}
}
}
注意:wait和sleep的区别。wait()方法和sleep方法,都能让线程暂时停止运行。但是它们使用的方式和时机是不同的。
- sleep方法在线程类Thread中定义,wait方法在Object中定义。
- wait方法只能放在同步方法或同步块中,表示当前线程对资源进行等待。sleep方法可以放在任何位置,表示当前线程休眠。
- wait方法要释放对象锁,sleep方法不会释放对象锁。
- wait方法使用后,线程需要notify唤醒后才能继续执行。而sleep在休眠结束后,线程自动继续执行。
3.6 加锁的其他方式Lock接口
- Lock接口是java解决线程安全的另一种形式。
相对于synchronized,有以下特点:
- Lock是一个接口,而synchronized是Java内置的语言实现;
- synchronized在发生异常时,会自动释放线程占有的锁,因此不会导致死锁现象发生;而Lock在发生异常时,如果没有主动通过unlock()去释放锁,则很可能造成死锁现象,因此使用lock时需要在finally块中释放锁;
- Lock可以让等待锁的线程响应中断,而synchronized却不行,使用synchronized时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断;
- 通过Lock可以知道有没有成功获取锁,而synchronized无法办到;
- lock可以提高多个线程进行读操作的效率
public class LockTest {
public static void main(String[] args) {
LockObj obj = new LockObj();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
obj.speak();
}
},"第一线程").start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
obj.speak();
}
},"第二线程").start();
}
}
class LockObj {
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void speak() {
// 通过Lock接口的实现类对象 获取锁
if(lock.tryLock()){
try {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
// Thread.currentThread().getName() 可获取当前线程名称
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "speak" + i);
Thread.sleep(30);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}else {
System.out.println("获取锁失败");
}
}
}
// lock()方法可以获取锁,但无返回值
// trylock()方法是有返回值的,它表示用来尝试获取锁,如果获取成功,则返回true
// unlock()方法可以释放锁
- 读写Lock
当有多个线程读写文件时,读操作和写操作会发生冲突现象,写操作和写操作会发生冲突现象,但是读操作和读操作不会发生冲突现象。
采用synchronized关键字来实现同步的话,就会导致一个问题:如果多个线程都只是进行读操作,所以当一个线程在进行读操作时,其他线程只能等待无法进行读操作。
因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突,通过读写锁可以办到。
读写锁将对一个资源(比如文件)的访问分成了2个锁,一个读锁和一个写锁。如果多个线程都只是进行读操作,所以当一个线程在进行读操作时,其他线程可以同时进行读操作。申请写操作的线程只能等待。如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,则申请的线程会一直等待释放写锁。
public class RWLock {
public static void main(String[] args) {
RW rw = new RW();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
rw.write();
}
},"刘六").start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
rw.read();
}
},"张三").start();
}
}
class RW{
// 创建读写Lock对象
private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 读
public void read(){
// 获取读锁
rwLock.readLock().lock();
try {
for(int i = 0;i < 20;i++){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读" + i);
Thread.sleep(1);
}
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
rwLock.readLock().unlock();
}
}
// 写
public void write(){
rwLock.writeLock().lock();
try {
for(int i = 0;i < 20;i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写" + i);
}
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
rwLock.writeLock().unlock();
}
}
}
- Volatile
volatile变量是Java语言提供的一种稍弱的同步机制,用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。
在访问volatile变量时不会执行加锁操作,因此也就不会使执行线程阻塞,因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。
当一个变量定义为 volatile 之后,将具备两种特性:
- 保证此变量对所有的线程的可见性,当一个线程修改了这个变量的值,volatile 保证了新值能立即同步到主内存
- 禁止指令重排序优化