328 day07线程池、Lambda表达式

day07【线程池、Lambda表达式】

主要内容

等待与唤醒案例
线程池
Lambda表达式

教学目标

-[ ] 能够理解线程通信概念 -[ ] 能够理解等待唤醒机制 -[ ] 能够描述Java中线程池运行原理 -[ ] 能够理解函数式编程相对于面向对象的优点 -[ ] 能够掌握Lambda表达式的标准格式 -[ ] 能够使用Lambda标准格式使用Runnable与Comparator接口 -[ ] 能够掌握Lambda表达式的省略格式与规则 -[ ] 能够使用Lambda省略格式使用Runnable与Comparator接口 -[ ] 能够通过Lambda的标准格式使用自定义的接口（有且仅有一个抽象方法） -[ ] 能够通过Lambda的省略格式使用自定义的接口（有且仅有一个抽象方法） -[ ] 能够明确Lambda的两项使用前提

第一章等待唤醒机制

1.1 线程间通信

概念：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。

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，那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。

为什么要处理线程间通信：

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协调通信，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

如何保证线程间通信有效利用资源：

多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。就是多个线程在操作同一份数据时，避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

1.2 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。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

就是在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()），等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒（notify()）;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。

等待唤醒中的方法

等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的，使用到的3个方法的含义如下：

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。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”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
notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；例如，餐馆有空位置后，等候就餐最久的顾客最先入座。
notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：

哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，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 状态；
否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态

调用wait和notify方法需要注意的细节

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。
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。
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。

1.3 生产者与消费者问题

等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。

就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源：

~~~java 包子铺线程生产包子，吃货线程消费包子。当包子没有时（包子状态为false），吃货线程等待，包子铺线程生产包子（即包子状态为true），并通知吃货线程（解除吃货的等待状态）,因为已经有包子了，那么包子铺线程进入等待状态。接下来，吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁，那么就执行吃包子动作，包子吃完（包子状态为false），并通知包子铺线程（解除包子铺的等待状态）,吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。 ~~~

代码演示：

包子资源类：

~~~java public class BaoZi { String pier ; String xianer ; boolean flag = false ;//包子资源是否存在包子资源状态 } ~~~

吃货线程类：

~~~java public class ChiHuo extends Thread{ private BaoZi bz;

public ChiHuo(String name,BaoZi bz){ super(name); this.bz = bz; } @Override public void run() { while(true){ synchronized (bz){ if(bz.flag == false){//没包子 try { bz.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } System.out.println("吃货正在吃"+bz.pier+bz.xianer+"包子"); bz.flag = false; bz.notify(); } } }

} ~~~

包子铺线程类：

~~~java public class BaoZiPu extends Thread {

private BaoZi bz; public BaoZiPu(String name,BaoZi bz){ super(name); this.bz = bz; } @Override public void run() { int count = 0; //造包子 while(true){ //同步 synchronized (bz){ if(bz.flag == true){//包子资源存在 try { bz.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } // 没有包子造包子 System.out.println("包子铺开始做包子"); if(count%2 == 0){ // 冰皮五仁 bz.pier = "冰皮"; bz.xianer = "五仁"; }else{ // 薄皮牛肉大葱 bz.pier = "薄皮"; bz.xianer = "牛肉大葱"; } count++; bz.flag=true; System.out.println("包子造好了："+bz.pier+bz.xianer); System.out.println("吃货来吃吧"); //唤醒等待线程（吃货） bz.notify(); } } }

} ~~~

测试类：

~~~java public class Demo { public static void main(String[] args) { //等待唤醒案例 BaoZi bz = new BaoZi();

ChiHuo ch = new ChiHuo("吃货",bz); BaoZiPu bzp = new BaoZiPu("包子铺",bz); ch.start(); bzp.start(); }

} ~~~

执行效果：

~~~java 包子铺开始做包子包子造好了：冰皮五仁吃货来吃吧吃货正在吃冰皮五仁包子包子铺开始做包子包子造好了：薄皮牛肉大葱吃货来吃吧吃货正在吃薄皮牛肉大葱包子包子铺开始做包子包子造好了：冰皮五仁吃货来吃吧吃货正在吃冰皮五仁包子 ~~~

第二章线程池

2.1 线程池思想概述

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。今天我们就来详细讲解一下Java的线程池。

2.2 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。

由于线程池中有很多操作都是与优化资源相关的，我们在这里就不多赘述。我们通过一张图来了解线程池的工作原理：

合理利用线程池能够带来三个好处：

降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务。
提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
提高线程的可管理性。可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，防止因为消耗过多的内存，而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存，线程开的越多，消耗的内存也就越大，最后死机)。

2.3 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

Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。

使用线程池中线程对象的步骤：

创建线程池对象。
创建Runnable接口子类对象。(task)
提交Runnable接口子类对象。(take task)
关闭线程池(一般不做)。

Runnable实现类代码：

~~~java public class MyRunnable implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("我要一个教练"); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("教练来了： " + Thread.currentThread().getName()); System.out.println("教我游泳,交完后，教练回到了游泳池"); } } ~~~

线程池测试类：

~~~java public class ThreadPoolDemo { public static void main(String[] args) { // 创建线程池对象 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象 // 创建Runnable实例对象 MyRunnable r = new MyRunnable();

//自己创建线程对象的方式 // Thread t = new Thread(r); // t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run() // 从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run() service.submit(r); // 再获取个线程对象，调用MyRunnable中的run() service.submit(r); service.submit(r); // 注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。 // 将使用完的线程又归还到了线程池中 // 关闭线程池 //service.shutdown(); }

} ~~~

第三章 Lambda表达式

3.1 函数式编程思想概述

在数学中，函数就是有输入量、输出量的一套计算方案，也就是“拿什么东西做什么事情”。相对而言，面向对象过分强调“必须通过对象的形式来做事情”，而函数式思想则尽量忽略面向对象的复杂语法——强调做什么，而不是以什么形式做。

面向对象的思想:

做一件事情,找一个能解决这个事情的对象,调用对象的方法,完成事情.

函数式编程思想:

只要能获取到结果,谁去做的,怎么做的都不重要,重视的是结果,不重视过程

3.2 冗余的Runnable代码

传统写法

当需要启动一个线程去完成任务时，通常会通过java.lang.Runnable接口来定义任务内容，并使用java.lang.Thread类来启动该线程。代码如下：

java public class Demo01Runnable { public static void main(String[] args) { // 匿名内部类 Runnable task = new Runnable() { @Override public void run() { // 覆盖重写抽象方法 System.out.println("多线程任务执行！"); } }; new Thread(task).start(); // 启动线程 } }

本着“一切皆对象”的思想，这种做法是无可厚非的：首先创建一个Runnable接口的匿名内部类对象来指定任务内容，再将其交给一个线程来启动。

代码分析

对于Runnable的匿名内部类用法，可以分析出几点内容：

Thread类需要Runnable接口作为参数，其中的抽象run方法是用来指定线程任务内容的核心；
为了指定run的方法体，不得不需要Runnable接口的实现类；
为了省去定义一个RunnableImpl实现类的麻烦，不得不使用匿名内部类；
必须覆盖重写抽象run方法，所以方法名称、方法参数、方法返回值不得不再写一遍，且不能写错；
而实际上，似乎只有方法体才是关键所在。

3.3 编程思想转换

做什么，而不是怎么做

我们真的希望创建一个匿名内部类对象吗？不。我们只是为了做这件事情而不得不创建一个对象。我们真正希望做的事情是：将run方法体内的代码传递给Thread类知晓。

传递一段代码——这才是我们真正的目的。而创建对象只是受限于面向对象语法而不得不采取的一种手段方式。那，有没有更加简单的办法？如果我们将关注点从“怎么做”回归到“做什么”的本质上，就会发现只要能够更好地达到目的，过程与形式其实并不重要。

生活举例

当我们需要从北京到上海时，可以选择高铁、汽车、骑行或是徒步。我们的真正目的是到达上海，而如何才能到达上海的形式并不重要，所以我们一直在探索有没有比高铁更好的方式——搭乘飞机。

而现在这种飞机（甚至是飞船）已经诞生：2014年3月Oracle所发布的Java 8（JDK 1.8）中，加入了Lambda表达式的重量级新特性，为我们打开了新世界的大门。

3.4 体验Lambda的更优写法

借助Java 8的全新语法，上述Runnable接口的匿名内部类写法可以通过更简单的Lambda表达式达到等效：

java public class Demo02LambdaRunnable { public static void main(String[] args) { new Thread(() -> System.out.println("多线程任务执行！")).start(); // 启动线程 } }

这段代码和刚才的执行效果是完全一样的，可以在1.8或更高的编译级别下通过。从代码的语义中可以看出：我们启动了一个线程，而线程任务的内容以一种更加简洁的形式被指定。

不再有“不得不创建接口对象”的束缚，不再有“抽象方法覆盖重写”的负担，就是这么简单！

3.5 回顾匿名内部类

Lambda是怎样击败面向对象的？在上例中，核心代码其实只是如下所示的内容：

java () -> System.out.println("多线程任务执行！")

为了理解Lambda的语义，我们需要从传统的代码起步。

使用实现类

要启动一个线程，需要创建一个Thread类的对象并调用start方法。而为了指定线程执行的内容，需要调用Thread类的构造方法：

public Thread(Runnable target)

为了获取Runnable接口的实现对象，可以为该接口定义一个实现类RunnableImpl：

java public class RunnableImpl implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("多线程任务执行！"); } }

然后创建该实现类的对象作为Thread类的构造参数：

java public class Demo03ThreadInitParam { public static void main(String[] args) { Runnable task = new RunnableImpl(); new Thread(task).start(); } }

使用匿名内部类

这个RunnableImpl类只是为了实现Runnable接口而存在的，而且仅被使用了唯一一次，所以使用匿名内部类的语法即可省去该类的单独定义，即匿名内部类：

java public class Demo04ThreadNameless { public static void main(String[] args) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("多线程任务执行！"); } }).start(); } }

匿名内部类的好处与弊端

一方面，匿名内部类可以帮我们省去实现类的定义；另一方面，匿名内部类的语法——确实太复杂了！

语义分析

仔细分析该代码中的语义，Runnable接口只有一个run方法的定义：

public abstract void run();

即制定了一种做事情的方案（其实就是一个函数）：

无参数：不需要任何条件即可执行该方案。
无返回值：该方案不产生任何结果。
代码块（方法体）：该方案的具体执行步骤。

同样的语义体现在Lambda语法中，要更加简单：

java () -> System.out.println("多线程任务执行！")

前面的一对小括号即run方法的参数（无），代表不需要任何条件；
中间的一个箭头代表将前面的参数传递给后面的代码；
后面的输出语句即业务逻辑代码。

3.6 Lambda标准格式

Lambda省去面向对象的条条框框，格式由3个部分组成：

一些参数
一个箭头
一段代码

Lambda表达式的标准格式为：

(参数类型参数名称) -> { 代码语句 }

格式说明：

小括号内的语法与传统方法参数列表一致：无参数则留空；多个参数则用逗号分隔。
->是新引入的语法格式，代表指向动作。
大括号内的语法与传统方法体要求基本一致。

3.7 练习：使用Lambda标准格式（无参无返回）

题目

给定一个厨子Cook接口，内含唯一的抽象方法makeFood，且无参数、无返回值。如下：

java public interface Cook { void makeFood(); }

在下面的代码中，请使用Lambda的标准格式调用invokeCook方法，打印输出“吃饭啦！”字样：

```java public class Demo05InvokeCook { public static void main(String[] args) { // TODO 请在此使用Lambda【标准格式】调用invokeCook方法 }

private static void invokeCook(Cook cook) { cook.makeFood(); }

} ```

解答

java public static void main(String[] args) { invokeCook(() -> { System.out.println("吃饭啦！"); }); }

备注：小括号代表Cook接口makeFood抽象方法的参数为空，大括号代表makeFood的方法体。

3.8 Lambda的参数和返回值

需求: 使用数组存储多个Person对象对数组中的Person对象使用Arrays的sort方法通过年龄进行升序排序

下面举例演示java.util.Comparator接口的使用场景代码，其中的抽象方法定义为：

public abstract int compare(T o1, T o2);

当需要对一个对象数组进行排序时，Arrays.sort方法需要一个Comparator接口实例来指定排序的规则。假设有一个Person类，含有String name和int age两个成员变量：

```java public class Person { private String name; private int age;

// 省略构造器、toString方法与Getter Setter

} ```

传统写法

如果使用传统的代码对Person[]数组进行排序，写法如下：

```java import java.util.Arrays; import java.util.Comparator;

public class Demo06Comparator { public static void main(String[] args) { // 本来年龄乱序的对象数组 Person[] array = { new Person("古力娜扎", 19), new Person("迪丽热巴", 18), new Person("马尔扎哈", 20) };

// 匿名内部类 Comparator comp = new Comparator() { @Override public int compare(Person o1, Person o2) { return o1.getAge() - o2.getAge(); } }; Arrays.sort(array, comp); // 第二个参数为排序规则，即Comparator接口实例 for (Person person : array) { System.out.println(person); } }

} ```

这种做法在面向对象的思想中，似乎也是“理所当然”的。其中Comparator接口的实例（使用了匿名内部类）代表了“按照年龄从小到大”的排序规则。

代码分析

下面我们来搞清楚上述代码真正要做什么事情。

为了排序，Arrays.sort方法需要排序规则，即Comparator接口的实例，抽象方法compare是关键；
为了指定compare的方法体，不得不需要Comparator接口的实现类；
为了省去定义一个ComparatorImpl实现类的麻烦，不得不使用匿名内部类；
必须覆盖重写抽象compare方法，所以方法名称、方法参数、方法返回值不得不再写一遍，且不能写错；
实际上，只有参数和方法体才是关键。

Lambda写法

```java import java.util.Arrays;

public class Demo07ComparatorLambda { public static void main(String[] args) { Person[] array = { new Person("古力娜扎", 19), new Person("迪丽热巴", 18), new Person("马尔扎哈", 20) };

Arrays.sort(array, (Person a, Person b) -> { return a.getAge() - b.getAge(); }); for (Person person : array) { System.out.println(person); } }

} ```

3.9 练习：使用Lambda标准格式（有参有返回）

题目

给定一个计算器Calculator接口，内含抽象方法calc可以将两个int数字相加得到和值：

java public interface Calculator { int calc(int a, int b); }

在下面的代码中，请使用Lambda的标准格式调用invokeCalc方法，完成120和130的相加计算：

```java public class Demo08InvokeCalc { public static void main(String[] args) { // TODO 请在此使用Lambda【标准格式】调用invokeCalc方法来计算120+130的结果ß }

private static void invokeCalc(int a, int b, Calculator calculator) { int result = calculator.calc(a, b); System.out.println("结果是：" + result); }

} ```

解答

java public static void main(String[] args) { invokeCalc(120, 130, (int a, int b) -> { return a + b; }); }

备注：小括号代表Calculator接口calc抽象方法的参数，大括号代表calc的方法体。

3.10 Lambda省略格式

可推导即可省略

Lambda强调的是“做什么”而不是“怎么做”，所以凡是可以根据上下文推导得知的信息，都可以省略。例如上例还可以使用Lambda的省略写法：

java public static void main(String[] args) { invokeCalc(120, 130, (a, b) -> a + b); }

省略规则

在Lambda标准格式的基础上，使用省略写法的规则为：

小括号内参数的类型可以省略；
如果小括号内有且仅有一个参，则小括号可以省略；
如果大括号内有且仅有一个语句，则无论是否有返回值，都可以省略大括号、return关键字及语句分号。

备注：掌握这些省略规则后，请对应地回顾本章开头的多线程案例。

3.11 练习：使用Lambda省略格式

题目

仍然使用前文含有唯一makeFood抽象方法的厨子Cook接口，在下面的代码中，请使用Lambda的省略格式调用invokeCook方法，打印输出“吃饭啦！”字样：

```java public class Demo09InvokeCook { public static void main(String[] args) { // TODO 请在此使用Lambda【省略格式】调用invokeCook方法 }

private static void invokeCook(Cook cook) { cook.makeFood(); }

} ```

解答

java public static void main(String[] args) { invokeCook(() -> System.out.println("吃饭啦！")); }

3.12 Lambda的使用前提

Lambda的语法非常简洁，完全没有面向对象复杂的束缚。但是使用时有几个问题需要特别注意：

使用Lambda必须具有接口，且要求接口中有且仅有一个抽象方法。无论是JDK内置的Runnable、Comparator接口还是自定义的接口，只有当接口中的抽象方法存在且唯一时，才可以使用Lambda。
使用Lambda必须具有上下文推断。也就是方法的参数或局部变量类型必须为Lambda对应的接口类型，才能使用Lambda作为该接口的实例。