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。

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

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。

    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。

3.Java使用多线程的方式

3.1创建Thread子类

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类来创建启动多线程的步骤如下:

  1. 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。
  2. 创建Thread子类的实例,即创建了线程对象
  3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程
    自定义线程类
/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
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 */
public class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        String name = getName();
        System.out.println(name);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("run"+"-->"+i);
        }
    }
}

测试类

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
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 */
/*
创建多线程程序的第一种方式,创建Thread的子类
实现步骤:
1、创建Thread子类
2、在Thread类的子类中重写run方法,设置线程任务(开启线程要做什么)
3、创建Thread类的子类对象
4、调用Thread类的start方法,开启新的线程,执行run方法
 */
public class Demo1Thread {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread mt = new MyThread();
        mt.start();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main"+"-->"+i);
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

运行原理:
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。
在这里插入图片描述

3.2 实现Runnable接口,重写run方法

步骤如下:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 调用线程对象的start()方法来启动线程。
 /**
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 */
public class Demo3Runnable implements Runnable {

    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}
/**
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 */
public class MyRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        Demo3Runnable d = new Demo3Runnable();
        Thread t = new Thread(d);
        t.start();
    }
}

3.3 实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势:

  1. 适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
  2. 可以避免java中的单继承的局限性。
  3. 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。
  4. 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。

3.4 匿名内部类方式实现线程的创建

/**
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 */
public class Demo4InnerClassThread {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(getName());
            }
        }.start();
        Runnable r = new Runnable(){
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            }
        };
        new Thread(r).start();
    }
}

4.线程安全

4.1 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。

我们可以通过电影卖票的案例,来演示线程安全问题:
假设有100张电影票,三个窗口同时卖票。

模拟票:

**
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 */
/*
实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable {
	//总票数
    private int ticket = 100;
    //卖票
    public void run() {
        while (true){
            if(ticket>0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }else{
                break;
            }
        }
    }
}

测试类

/**
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 */
public class Demo1Ticket {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = new RunnableImpl();
        Thread t0 = new Thread(r);
        Thread t1 = new Thread(r);
        Thread t2 = new Thread(r);
        //三个窗口同时卖票
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

在这里插入图片描述
可以看到,出现了卖同样的票的问题,这样几个线程不同步,这种问题称为线程安全问题

4.2 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。
为了保证每个线程都能进行原子操作,Java引入了线程同步的机制,下面是实现线程同步的三种方式

  • 同步代码块
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.

  1. 锁对象 可以是任意类型。
  2. 多个线程对象 要使用同一把锁
/**
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 */
/*
实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    //卖票
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (this){
                if(ticket>0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                }else{
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

可以理解为只有一个线程可以拿到同步锁,当一个线程拿到同步锁后,其它线程运行到同步代码块,发现锁不在了,则不能往下执行,直到用友该锁的线程把锁归还了,其它线程才能进入此代码块中,以此类推。

/**
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 */
public class Demo1Ticket {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = new RunnableImpl();
        Thread t0 = new Thread(r);
        Thread t1 = new Thread(r);
        Thread t2 = new Thread(r);
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
  • 同步方法
public synchronized void method(){
 可能会产生线程安全问题的代码 
 }

同步锁:

  • 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)。
/**
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 */
/*
实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    //卖票
    public void run() {
        while (true){
            payTicket();
            if(ticket<0){
                break;
            }
        }
    }

    /*
    定义一个同步方法
     */
    public synchronized void payTicket(){
        if(ticket>0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
            ticket--;
        }
    }
}
  • 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。
/**
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 */
/*
实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    Lock l = new ReentrantLock();
    //卖票
    public void run() {
        while (true){
            l.lock();
            try {
                if(ticket>0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                }else{
                    break;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                l.unlock();
            }
        }
    }
}

其实最好是把unlolck()方法放到finally代码块中执行,这样无论try代码块有没有出现异常,都可以释放同步锁。

5.线程状态

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。
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。
Timed Waiting(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Timed Waiting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。
在这里插入图片描述

6.线程池

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。

6.1 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。

6.2 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

使用线程池中线程对象的步骤:

  1. 创建线程池对象。
  2. 创建Runnable接口子类对象。(task)
  3. 提交Runnable接口子类对象。(take task)
  4. 关闭线程池(一般不做)。
/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
 * Date: 2020/1/7
 */
public class Demo1ThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        Runnable runnable=new Runnable(){
            public void run() {
                //Thread.currentThread().setName("我的线程");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            }
        };
        executorService.submit(runnable);
        executorService.submit(runnable);
        executorService.submit(runnable);
    }
}

运行结果

可以看到,我创建的线程池只有两个线程,但是我需要运行3个线程,其实它是把两个线程用完后,第三个线程发现线程池里面没有线程可用了,就等待其他任务把线程归还后,再把线程拿出来使用。这也体现了队列先进先出的思想。

Q.E.D.


愿你编码半生,归来仍是少年