多线程

相关概念

1.1 并发与并行(了解)

  • 并行(parallel):指两个或多个事件在同一时刻发生(同时发生)。指在同一时刻,有多条指令在多个处理器上同时执行。

  • 并发(concurrency):指两个或多个事件在同一个时间段内发生。指在同一个时刻只能有一条指令执行,但多个进程的指令被快速轮换执行,使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。

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,每一时刻只能有一个程序执行,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

  • 程序:为了完成某个任务和功能,选择一种编程语言编写的一组指令的集合。

  • 软件1个或多个应用程序+相关的素材和资源文件等构成一个软件系统。

  • 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,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:一个软件中至少有一个应用程序,应用程序的一次运行就是一个进程,一个进程中至少有一个线程。

  • 面试题:进程是操作系统调度和分配资源的最小单位,线程是CPU调度的最小单位。不同的进程之间是不共享内存的。进程之间的数据交换和通信的成本是很高。不同的线程是共享同一个进程的内存的。当然不同的线程也有自己独立的内存空间。对于方法区,堆中中的同一个对象的内存,线程之间是可以共享的,但是栈的局部变量永远是独立的。

例如:

一个软件中包含多个进程

每个应用程序的运行都是一个进程

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:

一个应用程序的多次运行,就是多个进程

一个进程中包含多个线程

1.3 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。

    • 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。

2 另行创建和启动线程

一个多线程程序的状态:

当运行Java程序时,其实已经有一个线程了,那就是main线程。

那么如何创建和启动main线程以外的线程呢?

2.1 继承Thread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

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);
}
}
}

2.2 实现Runnable接口

Java有单继承的限制,当我们无法继承Thread类时,那么该如何做呢?在核心类库中提供了Runnable接口,我们可以实现Runnable接口,重写run()方法,然后再通过Thread类的对象代理启动和执行我们的线程体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。 代码如下:

  public class MyRunnable implements Runnable{
@Override  
     public void run() {
         for (int 0; 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 new Thread(mr, "小强");
        t.start();
        for (int 0; 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。

在启动的多线程的时候,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的对象的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。

2.3 使用匿名内部类对象来实现线程的创建和启动

new Thread("新的线程!"){
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(getName()+":正在执行!"+i);
}
}
}.start();
        new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":" + i);
}
}
}).start();

2.4 练习:

创建一个子线程,在线程中输出1-100之间的偶数,另外一个子线程输出1-100之间的奇数。

3 Thread类

3.1 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。

3.2 常用方法系列1

  • public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。

  • public String getName() :获取当前线程名称。

  • public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。

  • public final boolean isAlive():测试线程是否处于活动状态。如果线程已经启动且尚未终止,则为活动状态。

  • public final int getPriority() :返回线程优先级

  • public final void setPriority(int newPriority) :改变线程的优先级

    • 每个线程都有一定的优先级,优先级高的线程将获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。Thread类提供了setPriority(int newPriority)和getPriority()方法类设置和获取线程的优先级,其中setPriority方法需要一个整数,并且范围在[1,10]之间,通常推荐设置Thread类的三个优先级常量:

    • MAX_PRIORITY(10):最高优先级

    • MIN _PRIORITY (1):最低优先级

    • NORM_PRIORITY (5):普通优先级,默认情况下main线程具有普通优先级。

    public static void main(String[] args) {
Thread t = new Thread(){
public void run(){
System.out.println(getName() + "的优先级:" + getPriority());
}
};
t.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
t.start();

System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"的优先级:" + Thread.currentThread().getPriority());
}

3.3 常用方法系列2

  • 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 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 void yield():yield只是让当前线程暂停一下,让系统的线程调度器重新调度一次,希望优先级与当前线程相同或更高的其他线程能够获得执行机会,但是这个不能保证,完全有可能的情况是,当某个线程调用了yield方法暂停之后,线程调度器又将其调度出来重新执行。

  • void join() :等待该线程终止。

    void join(long millis) :等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。如果millis时间到,将不再等待。

    void join(long millis, int nanos) :等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒。

  • public final void stop():强迫线程停止执行。 该方法具有固有的不安全性,已经标记为@Deprecated不建议再使用,那么我们就需要通过其他方式来停止线程了,其中一种方式是使用变量的值的变化来控制线程是否结束。

示例代码:倒计时

    public static void main(String[] args) {
for (int i = 10; i>=0; i--) {
System.out.println(i);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("新年快乐!");
}

示例代码:强行加塞

主线程:打印[1,10],每隔10毫秒打印一个数字,

自定义线程类:不停的问是否结束,输入Y或N,

现在当主线程打印完5之后,就让自定义线程类加塞,直到自定义线程类结束,主线程再继续。

import java.util.Scanner;

public class TestJoin {
public static void main(String[] args) {
ChatThread t = new ChatThread();
t.start();

for (int i = 1; i <= 10; i++) {
System.out.println("main:" + i);
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
        //当main打印到5之后,需要等join进来的线程停止后才会继续了。
if(i==5){
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
class ChatThread extends Thread{
public void run(){
Scanner input = new Scanner(System.in);
while(true){
System.out.println("是否结束?(Y、N)");
char confirm = input.next().charAt(0);
if(confirm == 'Y' || confirm == 'y'){
break;
}
}
input.close();
}
}

示例代码:龟兔赛跑

案例:编写乌龟类(Tortoise)和兔子类(Rabbit), 编写龟兔赛跑多线程程序,设赛跑长度为30米。乌龟和兔子每跑完10米输出一次结果。 兔子的速度是10米每秒,兔子每跑完10米休眠的时间10秒。 乌龟的速度是1米每秒,乌龟每跑完10米的休眠时间是1秒。 案例完成思路要求: 乌龟定义一个线程,兔子定义一个线程, 两个线程同时开启, 提示:可以使用Thread.sleep(毫秒数)来模拟耗时。

public class TortoiseAndRabbitTest {

public static void main(String[] args) {
Tortoise t = new Tortoise();
Rabbit r = new Rabbit();
new Thread(t).start();
new Thread(r).start();
}

}

class Tortoise implements Runnable{

@Override
public void run() {
for(int i=1;i<=30;i++){//i代表米数,每次+1代表跑过了一米。
try {
Thread.sleep(1000);//每次循环休眠1一秒,代表一秒钟跑了一米
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("乌龟跑了一米~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
if(i==30){
System.out.println("乌龟跑到了终点=============================");
break;
}
if(i%10==0){
try {
Thread.sleep(1000);//每隔十米乌龟要休眠一秒
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}


class Rabbit implements Runnable{

@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
for(int i=1;i<=30;i++){//i代表米数,每次+1代表跑过了一米。
try {
Thread.sleep(100);//每次循环休眠0.1一秒,代表一秒钟跑了十米
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("兔子跑了一米~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
if(i==30){
System.out.println("兔子跑到了终点=============================");
break;
}
if(i%10==0){
try {
Thread.sleep(10000);//每隔十米兔子要休眠是秒
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

}

volatile的作用是确保不会因编译器的优化而省略某些指令,volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变,每次都小心地重新读取这个变量的值,而不是使用保存在寄存器里的备份,这样,编译器就不会去假设这个变量的值了。

3.4 守护线程(了解)

有一种线程,它是在后台运行的,它的任务是为其他线程提供服务的,这种线程被称为“守护线程”。JVM的垃圾回收线程就是典型的守护线程。

守护线程有个特点,就是如果所有非守护线程都死亡,那么守护线程自动死亡。

调用setDaemon(true)方法可将指定线程设置为守护线程。必须在线程启动之前设置,否则会报IllegalThreadStateException异常。

调用isDaemon()可以判断线程是否是守护线程。

public class TestThread {
public static void main(String[] args) {
MyDaemon m = new MyDaemon();
m.setDaemon(true);
m.start();

for (int i = 1; i <= 100; i++) {
System.out.println("main:" + i);
}
}
}

class MyDaemon extends Thread {
public void run() {
while (true) {
System.out.println("我一直守护者你...");
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

4 线程安全

4.1 线程安全

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。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电影票(多个窗口一起卖这100张票) 方式一:

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
                   // 出票操作
               // 使用sleep模拟一下出票时间
               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) {
// 创建线程任务对象
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();
}
}

方式二:

public class TestThread {
public static void main(String[] args) {
Ticket t1 = new Ticket("窗口一");
Ticket t2 = new Ticket("窗口二");
Ticket t3 = new Ticket("窗口三");

t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

class Ticket extends Thread{
private static int ticket = 100;

public Ticket() {
super();
}

public Ticket(String name) {
super(name);
}

/*
* 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
               // 出票操作
               // 使用sleep模拟一下出票时间
               try {
                   Thread.sleep(100);
              } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
              }
               // 获取当前线程对象的名字
               System.out.println(getName() + "正在卖:" + ticket--);
          }
}
}
}

发现程序出现了两个问题:

  1. 相同的票数,比如某张票被卖了两回。

  2. 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。

当我们使用多个线程访问同一资源(可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等)的时候,若多个线程只有读操作,那么不会发生线程安全问题,但是如果多个线程中对资源有读和写的操作,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:

  1. 同步代码块。

  2. 同步方法。

  3. 锁机制

4.2 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;

    /*
    * 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 (this) {//这里可以选择this作为锁,是因为对于这几个线程,Ticket的this是同一个
                   if (ticket > 0) {// 有票可以卖
                       // 出票操作
                       // 使用sleep模拟一下出票时间
                       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。

    class Ticket extends Thread{
    private static int ticket = 100;

    public Ticket() {
    super();
    }

    public Ticket(String name) {
    super(name);
    }

    /*
    * 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 (Ticket.class) {//这里不能选用this作为锁,因为这几个线程的this不是同一个
    if (ticket > 0) { // 有票可以卖
                   // 出票操作
                   // 使用sleep模拟一下出票时间
                   try {
                       Thread.sleep(100);
                  } catch (InterruptedException e) {
                       e.printStackTrace();
                  }
                   // 获取当前线程对象的名字
                   System.out.println(getName() + "正在卖:" + ticket--);
              }
    }
    }
    }
    }

4.3 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
}

同步方法的锁对象:

(1)静态方法:当前类的Class对象

(2)非静态方法:this

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   
  //出票操作
  //使用sleep模拟一下出票时间 
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‐‐);
      }
   }
}
class Ticket extends Thread {
private static int ticket = 100;

public Ticket() {
super();
}

public Ticket(String name) {
super(name);
}

/*
* 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();
}
}
//这里必须是静态方法,因为如果是非静态方法,隐含的锁对象是this,那么多个线程就不是同一个锁对象了
//而静态方法隐含的锁对象是当前类的Class对象
public synchronized static void sellTicket(){
if(ticket>0){//有票可以卖
//出票操作
//使用sleep模拟一下出票时间
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--);
}
}
}

4.4 练习

1、要求两个线程,同时打印字母,每个线程都能连续打印3个字母。并且连续打印3个小写字母后,换成打印3个大写字母,再换成打印3个小写字母,以此类推。当字母循环到z之后,回到a。

public class TestExer {
   public static void main(String[] args) {
       PrintLetter p = new PrintLetter();

       new Thread(p).start();
       new Thread(p).start();
  }
}
class PrintLetter implements Runnable{
   private char letter = 'a';
   private boolean flag = true;
   public void run(){
       while(true){
           synchronized (this) {
               for (int i = 1; i <= 3; i++) {
                   if (flag) {
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + letter);
                  } else {
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + (char) (letter - 32));
                  }
                   letter++;
                   if(letter > 'z'){
                       letter = 'a';
                  }
              }
               flag = !flag;

               try {
                   Thread.sleep(100);//控制节奏
              } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
              }
          }
      }
  }
}

5 等待唤醒机制

5.1 线程间通信

为什么要处理线程间通信:

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。而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通信机制,可以协调它们的工作,以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

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,此时B线程必须等到A线程完成后才能执行,那么线程A与线程B之间就需要线程通信,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。

就是在一个线程满足某个条件时,就进入等待状态(wait()/wait(time)), 等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒(notify());或可以指定wait的时间,等时间到了自动唤醒;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。

  1. 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或TIMED_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)”或者等待时间到,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

  2. notify:则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放;

  3. notifyAll:则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意:

被通知线程被唤醒后也不一定能立即恢复执行,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(可运行) 状态;

  • 否则,线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED(等待锁) 状态

调用wait和notify方法需要注意的细节

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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

等待唤醒机制可以解决经典的“生产者与消费者”的问题。

生产者与消费者问题(英语:Producer-consumer problem),也称有限缓冲问题(英语:Bounded-buffer problem),是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个(多个)共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中,然后重复此过程。与此同时,消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据,消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

生产者与消费者问题中其实隐含了两个问题:

  • 线程安全问题:因为生产者与消费者共享数据缓冲区,不过这个问题可以使用同步解决。

  • 线程的协调工作问题:

    • 要解决该问题,就必须让生产者线程在缓冲区满时等待(wait),暂停进入阻塞状态,等到下次消费者消耗了缓冲区中的数据的时候,通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态,重新开始往缓冲区添加数据。同样,也可以让消费者线程在缓冲区空时进入等待(wait),暂停进入阻塞状态,等到生产者往缓冲区添加数据之后,再通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态。通过这样的通信机制来解决此类问题。

一个厨师一个服务员问题

案例:有家餐馆的取餐口比较小,只能放10份快餐,厨师做完快餐放在取餐口的工作台上,服务员从这个工作台取出快餐给顾客。现在有1个厨师和1个服务员。

package com.atguigu.test.thread;

public class TestThread {
public static void main(String[] args) {
Workbench bench = new Workbench();
Cook c1 = new Cook("大拿",bench);
Waiter w1 = new Waiter("翠花",bench);

c1.start();
w1.start();
}

}
class Workbench {
private static final int MAX_VALUE = 10;
private int num;
public synchronized void put() {
if(num >= MAX_VALUE){
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
Thread.sleep(100);
//加入睡眠时间是放大问题现象,去掉同步和wait等,可观察问题
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
num++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "厨师制作了一份快餐,现在工作台上有:" + num + "份快餐");
this.notify();
}
public synchronized void take() {
if(num <=0){
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
Thread.sleep(100);
//加入睡眠时间是放大问题现象,去掉同步和wait等,可观察问题
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
num--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"服务员取走了一份快餐,现在工作台上有:" + num + "份快餐");
this.notify();
}
}
class Waiter extends Thread{
private Workbench workbench;

public Waiter(String name,Workbench workbench) {
super(name);
this.workbench = workbench;
}

public void run(){
while(true) {
workbench.take();
}
}
}
class Cook extends Thread{
private Workbench workbench;

public Cook(String name,Workbench workbench) {
super(name);
this.workbench = workbench;
}

public void run(){
while(true) {
workbench.put();
}
}
}

多个厨师多个服务员问题

案例:有家餐馆的取餐口比较小,只能放10份快餐,厨师做完快餐放在取餐口的工作台上,服务员从这个工作台取出快餐给顾客。现在有多个厨师和多个服务员。

package com.atguigu.test.thread;

public class TestThread {
public static void main(String[] args) {
Workbench bench = new Workbench();
Cook c1 = new Cook("大拿",bench);
Waiter w1 = new Waiter("翠花",bench);

c1.start();
w1.start();
}

}
class Workbench {
private static final int MAX_VALUE = 10;
private int num;
public synchronized void put() {
while(num >= MAX_VALUE){
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
Thread.sleep(100);
//加入睡眠时间是放大问题现象,去掉同步和wait等,可观察问题
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
num++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "厨师制作了一份快餐,现在工作台上有:" + num + "份快餐");
this.notifyAll();
}
public synchronized void take() {
while(num <=0){
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
Thread.sleep(100);
//加入睡眠时间是放大问题现象,去掉同步和wait等,可观察问题
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
num--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"服务员取走了一份快餐,现在工作台上有:" + num + "份快餐");
this.notifyAll();
}
}
class Waiter extends Thread{
private Workbench workbench;

public Waiter(String name,Workbench workbench) {
super(name);
this.workbench = workbench;
}

public void run(){
while(true) {
workbench.take();
}
}
}
class Cook extends Thread{
private Workbench workbench;

public Cook(String name,Workbench workbench) {
super(name);
this.workbench = workbench;
}

public void run(){
while(true) {
workbench.put();
}
}
}

5.4 练习

1、要求两个线程,同时打印字母,每个线程都能连续打印3个字母。两个线程交替打印,一个线程打印字母的小写形式,一个线程打印字母的大写形式,但是字母是连续的。当字母循环到z之后,回到a。

public class TestExer {
  public static void main(String[] args) {
      PrintLetter p = new PrintLetter();

      new Thread(p).start();
      new Thread(p).start();
  }
}
class PrintLetter implements Runnable{
  private char letter = 'a';
  private boolean flag = true;
  public void run(){
      while(true){
          synchronized (this) {
              for (int i = 1; i <= 3; i++) {
                  if (flag) {
                      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + letter);
                  } else {
                      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + (char) (letter - 32));
                  }
                  letter++;
                  if(letter > 'z'){
                      letter = 'a';
                  }
              }
              flag = !flag;
              this.notify();
              try {
                  this.wait();
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              try {
                  Thread.sleep(1000);//控制节奏
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          }
      }
  }
}

6 线程生命周期

6.1 观点1:5种状态

简单来说,线程的生命周期有五种状态:新建(New)、就绪(Runnable)、运行(Running)、阻塞(Blocked)、死亡(Dead)。CPU需要在多条线程之间切换,于是线程状态会多次在运行、阻塞、就绪之间切换。

1. 新建

当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时,新生的线程对象处于新建状。此时它和其他Java对象一样,仅仅由JVM为其分配了内存,并初始化了实例变量的值。此时的线程对象并没有任何线程的动态特征,程序也不会执行它的线程体run()。

2. 就绪

但是当线程对象调用了start()方法之后,就不一样了,线程就从新建状态转为就绪状态。JVM会为其创建方法调用栈和程序计数器,当然,处于这个状态中的线程并没有开始运行,只是表示已具备了运行的条件,随时可以被调度。至于什么时候被调度,取决于JVM里线程调度器的调度。

注意:

程序只能对新建状态的线程调用start(),并且只能调用一次,如果对非新建状态的线程,如已启动的线程或已死亡的线程调用start()都会报错IllegalThreadStateException异常。

3. 运行

如果处于就绪状态的线程获得了CPU,开始执行run()方法的线程体代码,则该线程处于运行状态。如果计算机只有一个CPU,在任何时刻只有一个线程处于运行状态,如果计算机有多个处理器,将会有多个线程并行(Parallel)执行。

当然,美好的时光总是短暂的,而且CPU讲究雨露均沾。对于抢占式策略的系统而言,系统会给每个可执行的线程一个小时间段来处理任务,当该时间用完,系统会剥夺该线程所占用的资源,让其回到就绪状态等待下一次被调度。此时其他线程将获得执行机会,而在选择下一个线程时,系统会适当考虑线程的优先级。

4. 阻塞

当在运行过程中的线程遇到如下情况时,线程会进入阻塞状态:

  • 线程调用了sleep()方法,主动放弃所占用的CPU资源;

  • 线程试图获取一个同步监视器,但该同步监视器正被其他线程持有;

  • 线程执行过程中,同步监视器调用了wait(),让它等待某个通知(notify);

  • 线程执行过程中,同步监视器调用了wait(time)

  • 线程执行过程中,遇到了其他线程对象的加塞(join);

  • 线程被调用suspend方法被挂起(已过时,因为容易发生死锁);

当前正在执行的线程被阻塞后,其他线程就有机会执行了。针对如上情况,当发生如下情况时会解除阻塞,让该线程重新进入就绪状态,等待线程调度器再次调度它:

  • 线程的sleep()时间到;

  • 线程成功获得了同步监视器;

  • 线程等到了通知(notify);

  • 线程wait的时间到了

  • 加塞的线程结束了;

  • 被挂起的线程又被调用了resume恢复方法(已过时,因为容易发生死锁);

5. 死亡

线程会以以下三种方式之一结束,结束后的线程就处于死亡状态:

  • run()方法执行完成,线程正常结束

  • 线程执行过程中抛出了一个未捕获的异常(Exception)或错误(Error)

  • 直接调用该线程的stop()来结束该线程(已过时,因为容易发生死锁)

6.2 观点2:6种状态

在java.lang.Thread.State的枚举类中这样定义:

    public enum State {
       NEW,
       RUNNABLE,
       BLOCKED,
       WAITING,
       TIMED_WAITING,
       TERMINATED;
  }
  • 首先它没有区分:就绪和运行状态,因为对于Java对象来说,只能标记为可运行,至于什么时候运行,不是JVM来控制的了,是OS来进行调度的,而且时间非常短暂,因此对于Java对象的状态来说,无法区分。只能我们人为的进行想象和理解。

  • 其次根据Thread.State的定义,阻塞状态是分为三种的:BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING。

说明:当从WAITING或TIMED_WAITING恢复到Runnable状态时,如果发现当前线程没有得到监视器锁,那么会立刻转入BLOCKED状态。

7 释放锁操作与死锁

任何线程进入同步代码块、同步方法之前,必须先获得对同步监视器的锁定,那么何时会释放对同步监视器的锁定呢?

1、释放锁的操作

当前线程的同步方法、同步代码块执行结束。

当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的Error或Exception,导致当前线程异常结束。

当前线程在同步代码块、同步方法中执行了锁对象的wait()方法,当前线程被挂起,并释放锁。

2、不会释放锁的操作

线程执行同步代码块或同步方法时,程序调用Thread.sleep()、Thread.yield()方法暂停当前线程的执行。

线程执行同步代码块时,其他线程调用了该线程的suspend()方法将该该线程挂起,该线程不会释放锁(同步监视器)。应尽量避免使用suspend()和resume()这样的过时来控制线程。

3、死锁

不同的线程分别锁住对方需要的同步监视器对象不释放,都在等待对方先放弃时就形成了线程的死锁。一旦出现死锁,整个程序既不会发生异常,也不会给出任何提示,只是所有线程处于阻塞状态,无法继续。

public class TestDeadLock {
public static void main(String[] args) {
Object g = new Object();
Object m = new Object();
Owner s = new Owner(g,m);
Customer c = new Customer(g,m);
new Thread(s).start();
new Thread(c).start();
}
}
class Owner implements Runnable{
private Object goods;
private Object money;

public Owner(Object goods, Object money) {
super();
this.goods = goods;
this.money = money;
}

@Override
public void run() {
synchronized (goods) {
System.out.println("先给钱");
synchronized (money) {
System.out.println("发货");
}
}
}
}
class Customer implements Runnable{
private Object goods;
private Object money;

public Customer(Object goods, Object money) {
super();
this.goods = goods;
this.money = money;
}

@Override
public void run() {
synchronized (money) {
System.out.println("先发货");
synchronized (goods) {
System.out.println("再给钱");
}
}
}
}

4、面试题:sleep()和wait()方法的区别

(1)sleep()不释放锁,wait()释放锁

(2)sleep()指定休眠的时间,wait()可以指定时间也可以无限等待直到notify或notifyAll

(3)sleep()在Thread类中声明的静态方法,wait方法在Object类中声明

因为我们调用wait()方法是由锁对象调用,而锁对象的类型是任意类型的对象。那么希望任意类型的对象都要有的方法,只能声明在Object类中。

原文地址:https://www.cnblogs.com/LzMingYueShanPao/p/14551606.html