Java - day20 - 多线程

多线程

什么是线程？

线程(thread)是一个程序内部的一条执行路径。
我们之前启动程序执行后，main方法的执行其实就是一条单独的执行路径。
程序中如果只有一条执行路径，那么这个程序就是单线程的程序。

多线程是什么？

多线程是指从软硬件上实现多条执行流程的技术。

多线程的创建

方式一：继承Thread类

Thread类

Java是通过java.lang.Thread类来代表线程的。
按照面向对象的思想，Thread类应该提供了实现多线程的方式。

多线程的实现方案一：继承Thread类

定义一个子类MyThread继承线程类java.lang.Thread，重写run()方法。
创建MyThread类的对象。
调用线程对象的start()方法启动线程（启动后还是执行run方法的)。

优缺点:

优点：编码简单。
缺点：线程类已经继承Thread，无法继承其他类，不利于扩展。

实例

/**
 目标：多线程的创建方式一：继承Thread类实现。
 */
public class ThreadDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 3、new一个新线程对象
        Thread t = new MyThread();
        // 4、调用start方法启动线程（执行的还是run方法）
        t.start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("主线程执行输出：" + i);
        }

    }
}

/**
 1、定义一个线程类继承Thread类
 */
class MyThread extends Thread{
    /**
     2、重写run方法，里面是定义线程以后要干啥
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("子线程执行输出：" + i);
        }
    }
}

为什么不直接调用了run方法，而是调用start启动线程？

直接调用run方法会当成普通方法执行，此时相当于还是单线程执行。
只有调用start方法才是启动一个新的线程执行。

把主线程任务放在子线程之前了。

这样主线程一直是先跑完的，相当于是一个单线程的效果了。

方式二：实现Runnable接口

多线程的实现方案二：实现Runnable接口

定义一个线程任务类MyRunnable实现Runnable接口，重写run()方法。
创建MyRunnable任务对象。
把MyRunnable任务对象交给Thread处理。
调用线程对象的start()方法启动线程。

Thread的构造器

优缺点

优点：线程任务类只是实现接口，可以继续继承类和实现接口，扩展性强。
缺点：编程多一层对象包装，如果线程有执行结果是不可以直接返回的。

实例

/*
 目标：学会线程的创建方式二，理解它的优缺点。
 */
public class ThreadDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 3、创建一个任务对象
        Runnable target = new MyRunnable();
        // 4、把任务对象交给Thread处理
        Thread t = new Thread(target);
        // Thread t = new Thread(target, "1号");
        // 5、启动线程
        t.start();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("主线程执行输出：" + i);
        }
    }
}

/**
 1、定义一个线程任务类 实现Runnable接口
 */
class MyRunnable  implements Runnable {
    /**
     2、重写run方法，定义线程的执行任务的
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("子线程执行输出：" + i);
        }
    }
}

多线程的实现方案二-1：实现Runnable接口(匿名内部类形式)

可以创建Runnable的匿名内部类对象。
交给Thread处理。
调用线程对象的start()启动线程。

实例

/**
 目标：学会线程的创建方式二(匿名内部类方式实现，语法形式)
 */
public class ThreadDemo2Other {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable target = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    System.out.println("子线程1执行输出：" + i);
                }
            }
        };
        Thread t = new Thread(target);
        t.start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    System.out.println("子线程2执行输出：" + i);
                }
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println("子线程3执行输出：" + i);
            }
        }).start();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("主线程执行输出：" + i);
        }
    }
}

方式三：JDK 5.0新增 —— 实现Callable接口

前2种线程创建方式都存在一个问题

他们重写的run方法均不能直接返回结果。
不适合需要返回线程执行结果的业务场景。

怎么解决这个问题呢?

JDK 5.0提供了Callable和FutureTask来实现。

多线程的实现方案三：利用Callable、FutureTask接口实现。

得到任务对象
—— 定义类实现Callable接口，重写call方法，封装要做的事情。—— 用FutureTask把Callable对象封装成线程任务对象。
把线程任务对象交给Thread处理。
调用Thread的start方法启动线程，执行任务。
线程执行完毕后，通过FutureTask的get方法去获取任务执行的结果。

FutureTask的API

优缺点

优点：线程任务类只是实现接口，可以继续继承类和实现接口，扩展性强。
可以在线程执行完毕后去获取线程执行的结果。
缺点：编码复杂一点。

实例

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

/**
 目标：学会线程的创建方式三：实现Callable接口，结合FutureTask完成。
 */
public class ThreadDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        // 3、创建Callable任务对象
        Callable<String> call = new MyCallable(100);
        // 4、把Callable任务对象 交给 FutureTask 对象
        //  FutureTask对象的作用1： 是Runnable的对象（实现了Runnable接口），可以交给Thread了
        //  FutureTask对象的作用2： 可以在线程执行完毕之后通过调用其get方法得到线程执行完成的结果
        FutureTask<String> f1 = new FutureTask<>(call);
        // 5、交给线程处理
        Thread t1 = new Thread(f1);
        // 6、启动线程
        t1.start();


        Callable<String> call2 = new MyCallable(200);
        FutureTask<String> f2 = new FutureTask<>(call2);
        Thread t2 = new Thread(f2);
        t2.start();

        try {
            // 如果f1任务没有执行完毕，这里的代码会等待，直到线程1跑完才提取结果。
            String rs1 = f1.get();
            System.out.println("第一个结果：" + rs1);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        try {
            // 如果f2任务没有执行完毕，这里的代码会等待，直到线程2跑完才提取结果。
            String rs2 = f2.get();
            System.out.println("第二个结果：" + rs2);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

/**
 1、定义一个任务类 实现Callable接口  应该申明线程任务执行完毕后的结果的数据类型
 */
class MyCallable implements Callable<String>{
    private int n;
    public MyCallable(int n) {
        this.n = n;
    }

    /**
     2、重写call方法（任务方法）
     */
    @Override
    public String call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= n ; i++) {
            sum += i;
        }
        return "子线程执行的结果是：" + sum;
    }
}

三种方式对比

Thread的常用方法

Thread常用API说明

Thread常用方法：获取线程名称getName()、设置名称setName()、获取当前线程对象currentThread()。
至于Thread类提供的诸如： yield、join、interrupt、不推荐的方法stop、守护线程、线程优先级等线程的控制方法，在开发中很少使用。

当有很多线程在执行的时候，我们怎么去区分这些线程呢?

此时需要使用Thread的常用方法：getName()、setName()、currentThread()等。

Thread类获得当前线程的对象

注意

此方法是Thread类的静态方法，可以直接使用Thread类调用。
这个方法是在哪个线程执行中调用的，就会得到哪个线程对象。

Thread的构造器

Thread类的线程休眠方法

Thread常用方法、构造器

实例

package d2;
/**
 目标：线程的API
 */
public class ThreadDemo02 {
    // main方法是由主线程负责调度的
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            System.out.println("输出：" + i);
            if(i == 3){
                // 让当前线程进入休眠状态
                // 段子：项目经理让我加上这行代码，如果用户愿意交钱，我就注释掉。
                Thread.sleep(3000);
            }
        }
    }
}

线程安全

线程安全问题是什么、发生的原因

线程安全问题

多个线程同时操作同一个共享资源的时候可能会出现业务安全问题，称为线程安全问题。

线程安全问题出现的原因？

存在多线程并发
同时访问共享资源
存在修改共享资源

线程安全问题案例模拟

实例

package d3;

public class Account {
    private String cardId;
    private double money; // 账户的余额

    public Account(){

    }

    public Account(String cardId, double money) {
        this.cardId = cardId;
        this.money = money;
    }

    /**
       小明 小红
     */
    public void drawMoney(double money) {
        // 0、先获取是谁来取钱，线程的名字就是人名
        String name = Thread.currentThread().getName();
        // 1、判断账户是否够钱
        if(this.money >= money){
            // 2、取钱
            System.out.println(name + "来取钱成功，吐出：" + money);
            // 3、更新余额
            this.money -= money;
            System.out.println(name + "取钱后剩余：" + this.money);
        }else {
            // 4、余额不足
            System.out.println(name +"来取钱，余额不足！");
        }

    }

    public String getCardId() {
        return cardId;
    }

    public void setCardId(String cardId) {
        this.cardId = cardId;
    }

    public double getMoney() {
        return money;
    }

    public void setMoney(double money) {
        this.money = money;
    }

}

package d3;

/**
    需求：模拟取钱案例。
 */
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 1、定义线程类，创建一个共享的账户对象
        Account acc = new Account("ICBC-111", 100000);

        // 2、创建2个线程对象，代表小明和小红同时进来了。
        new DrawThread(acc, "小明").start();
        new DrawThread(acc, "小红").start();
    }
}

package d3;

/**
   取钱的线程类
 */
public class DrawThread extends Thread {
    // 接收处理的账户对象
    private Account acc;
    public DrawThread(Account acc,String name){
        super(name);
        this.acc = acc;
    }
    @Override
    public void run() {
        // 小明 小红：取钱
        acc.drawMoney(100000);
    }
}

线程同步

同步思想概述

线程同步

为了解决线程安全问题。

取钱案例出现问题的原因?

多个线程同时执行，发现账户都是够钱的。

如何才能保证线程安全呢?

让多个线程实现先后依次访问共享资源，这样就解决了安全问题。

线程同步的核心思想

加锁，把共享资源进行上锁，每次只能一个线程进入访问完毕以后解锁，然后其他线程才能进来。

方式一：同步代码块

作用：把出现线程安全问题的核心代码给上锁。
原理：每次只能一个线程进入，执行完毕后自动解锁，其他线程才可以进来执行。

锁对象要求

理论上：锁对象只要对于当前同时执行的线程来说是同一个对象即可。

锁对象用任意唯一的对象好不好呢？

不好，会影响其他无关线程的执行。

锁对象的规范要求

规范上：建议使用共享资源作为锁对象。
对于实例方法建议使用this作为锁对象。
对于静态方法建议使用字节码(类名.class)对象作为锁对象。

同步代码块是如何实现线程安全的？

对出现问题的核心代码使用synchronized进行加锁每次只能一个线程占锁进入访问。

方式二：同步方法

同步方法

作用：把出现线程安全问题的核心方法给上锁。
原理：每次只能一个线程进入，执行完毕以后自动解锁，其他线程才可以进来执行。

同步方法底层原理

同步方法其实底层也是有隐式锁对象的，只是锁的范围是整个方法代码。
如果方法是实例方法：同步方法默认用this作为的锁对象。但是代码要高度面向对象!
如果方法是静态方法：同步方法默认用类名.class作为的锁对象。

是同步代码块好还是同步方法好一点？

同步代码块锁的范围更小，同步方法锁的范围更大。

同步方法是如何保证线程安全的？

对出现问题的核心方法使用synchronized修饰。
每次只能一个线程占锁进入访问。

方式三：Lock锁

线程通信(了解)

什么是线程通信、如何实现？

所谓线程通信就是线程间相互发送数据，线程通信通常通过共享一个数据的方式实现。
线程间会根据共享数据的情况决定自己该怎么做，以及通知其他线程怎么做。

线程通信常见模型

生产者与消费者模型：生产者线程负责生产数据，消费者线程负责消费数据。
要求：生产者线程生产完数据后，唤醒消费者，然后等待自己；消费者消费完该数据后，唤醒生产者，然后等待自己。

线程通信的前提

线程通信通常是在多个线程操作同一个共享资源的时候需要进行通信，且要保证线程安全。

object类的等待和唤醒方法

注意：上述方法应该使用当前同步锁对象进行调用。

线程池

线程池概述

什么是线程池？

线程池就是一个可以复用线程的技术。

不使用线程池的问题

如果用户每发起一个请求，后台就创建一个新线程来处理，下次新任务来了又要创建新线程，而创建新线程的开销是很大的，这样会严重影响系统的性能。

线程池实现的API、参数说明

谁代表线程池？

JDK 5.0起提供了代表线程池的接口：ExecutorService

如何得到线程池对象

ThreadPoolExecutor构造器的参数说明

线程池常见面试题

临时线程什么时候创建啊？

新任务提交时发现核心线程都在忙，任务队列也满了，并且还可以创建临时线程，此时才会创建临时线程。

什么时候会开始拒绝任务？

核心线程和临时线程都在忙，任务队列也满了，新的任务过来的时候才会开始任务拒绝。

线程池处理Runnable任务

新任务拒绝策略

实例

package d4;

public class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "输出了：HelloWorld ==> "  + i);
        }
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "本任务与线程绑定了，线程进入休眠了~~~");
            Thread.sleep(10000000);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

package d4;

import java.util.concurrent.*;

/**
 目标：自定义一个线程池对象，并测试其特性。
 */
public class ThreadPoolDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 1、创建线程池对象
        /**
         public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
         int maximumPoolSize,
         long keepAliveTime,
         TimeUnit unit,
         BlockingQueue<Runnable> workQueue,
         ThreadFactory threadFactory,
         RejectedExecutionHandler handler)
         */
        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(3, 5 ,
                6, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(5) , Executors.defaultThreadFactory(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() );

        // 2、给任务线程池处理。
        Runnable target = new MyRunnable();
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);

        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);

        // 创建临时线程
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
//        // 不创建，拒绝策略被触发！！！
//        pool.execute(target);

        // 关闭线程池（开发中一般不会使用）。
        // pool.shutdownNow(); // 立即关闭，即使任务没有完成，会丢失任务的！
        pool.shutdown(); // 会等待全部任务执行完毕之后再关闭（建议使用的）
    }
}

线程池处理Callable任务

ExecutorService的常用方法

实例

package d4;

import java.util.concurrent.Callable;

/**
 1、定义一个任务类 实现Callable接口  应该申明线程任务执行完毕后的结果的数据类型
 */
public class MyCallable implements Callable<String>{
    private int n;
    public MyCallable(int n) {
        this.n = n;
    }

    /**
     2、重写call方法（任务方法）
     */
    @Override
    public String call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= n ; i++) {
            sum += i;
        }
        return Thread.currentThread().getName()
                + "执行 1-" + n+ "的和，结果是：" + sum;
    }
}

package d4;

import java.util.concurrent.*;

/**
 目标：自定义一个线程池对象，并测试其特性。
 */
public class ThreadPoolDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1、创建线程池对象
        /**
         public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
         int maximumPoolSize,
         long keepAliveTime,
         TimeUnit unit,
         BlockingQueue<Runnable> workQueue,
         ThreadFactory threadFactory,
         RejectedExecutionHandler handler)
         */
        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(3, 5 ,
                6, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(5) , Executors.defaultThreadFactory(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() );

        // 2、给任务线程池处理。
        Future<String> f1 = pool.submit(new MyCallable(100));
        Future<String> f2 = pool.submit(new MyCallable(200));
        Future<String> f3 = pool.submit(new MyCallable(300));
        Future<String> f4 = pool.submit(new MyCallable(400));
        Future<String> f5 = pool.submit(new MyCallable(500));

//        String rs = f1.get();
//        System.out.println(rs);

        System.out.println(f1.get());
        System.out.println(f2.get());
        System.out.println(f3.get());
        System.out.println(f4.get());
        System.out.println(f5.get());
    }
}

Executors工具类实现线程池

Executors得到线程池对象的常用方法

Executors：线程池的工具类通过调用方法返回不同类型的线程池对象。
注意：Executors的底层其实也是基于线程池的实现类ThreadPoolExecutor创建线程池对象的。

实例

package d4;

import java.util.concurrent.*;

/**
 目标：使用Executors的工具方法直接得到一个线程池对象。
 */
public class ThreadPoolDemo3 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1、创建固定线程数据的线程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3);

        pool.execute(new MyRunnable());
        pool.execute(new MyRunnable());
        pool.execute(new MyRunnable());
        pool.execute(new MyRunnable()); // 已经没有多余线程了
    }
}

Executors使用可能存在的陷阱

Executors工具类底层是基于什么方式实现的线程池对象？

线程池ExecutorService的实现类：ThreadPoolExecutor

Executors是否适合做大型互联网场景的线程池方案?

不合适。
建议使用ThreadPoolExecutor来指定线程池参数，这样可以明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

补充知识：定时器

定时器

定时器是一种控制任务延时调用，或者周期调用的技术。
作用：闹钟、定时邮件发送。

定时器的实现方式

方式一：Timer
方式二：ScheduledExecutorService

Timer定时器

Timer定时器的特点和存在的问题

Timer是单线程，处理多个任务按照顺序执行，存在延时与设置定时器的时间有出入。
可能因为其中的某个任务的异常使Timer线程死掉，从而影响后续任务执行。

实例

package d5;

import java.util.Date;
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;

/**
 目标：Timer定时器的使用和了解。
 */
public class TimerDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 1、创建Timer定时器
        Timer timer = new Timer();  // 定时器本身就是一个单线程。
        // 2、调用方法，处理定时任务
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行AAA~~~" + new Date());
//                try {
//                    Thread.sleep(5000);
//                } catch (InterruptedException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
            }
        }, 0, 2000);

        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行BB~~~"+ new Date());
                System.out.println(10/0);
            }
        }, 0, 2000);

        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行CCC~~~"+ new Date());
            }
        }, 0, 3000);
    }
}

ScheduledExecutorService定时器 & 优点

实例

package d5;

import java.util.Date;
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 目标：Timer定时器的使用和了解。
 */
public class TimerDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 1、创建ScheduledExecutorService线程池，做定时器
        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(3);

        // 2、开启定时任务
        pool.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行输出：AAA  ==》 " + new Date());
                try {
                    Thread.sleep(100000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);


        pool.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行输出：BBB  ==》 " + new Date());
                System.out.println(10 / 0);
            }
        }, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);


        pool.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行输出：CCC  ==》 " + new Date());
            }
        }, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);

    }
}