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Java基础day20

程序员文章站 2024-02-17 17:49:16
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Java基础day20-多线程

1.实现多线程

1.1进程和线程

  • 进程:是正在运行的程序
    是系统进行资源分配和调用的独立单位
    每一个进程都有它自己的内存空间和系统资源
  • 线程:是进程中的单个顺序控制流,是一条执行路径
    单线程:一个进程如果只有一条执行路径,则称为单线程程序
    多线程:一个进程如果有多条执行路径,则称为多线程程序

1.2实现多线程方式一:继承Thread类

  • 方法介绍
方法名 说明
void run() 在线程开启后,此方法将被调用执行
void start() 使此线程开始执行,Java虚拟机会调用run方法()
  • 实现步骤
    定义一个类MyThread继承Thread类 在MyThread类中重写run()方法
    创建MyThread类的对象
    启动线程

  • 代码演示

//线程定义
public class myThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0;i<100;i++){
            System.out.println(i);
        }
    }
}
//测试类
public class test1 {
    public static void main(String[] args) {
        myThread m1 = new myThread();
        myThread m2 = new myThread();

//        m1.run();
//        m2.run();

        //void start() 导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法
        m1.start();
        m2.start();
    }
}

  • 两个小问题
    为什么要重写run()方法?
      因为run()是用来封装被线程执行的代码
    run()方法和start()方法的区别?
     run():封装线程执行的代码,直接调用,相当于普通方法的调用
     start():启动线程;然后由JVM调用此线程的run()方法

1.3设置和获取线程名称

  • 方法介绍
方法名 说明
void setName(String name) 将此线程的名称更改为等于参数name
String getName() 返回此线程的名称
Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用
  • 代码演示
public class test2 {
    public static void main(String[] args) {
        myThread my1 = new myThread();
        myThread my2 = new myThread();

        //void setName(String name):将此线程的名称更改为等于参数 name
        my1.setName("高铁");
        my2.setName("飞机");

        //Thread(String name)
//        myThread my1 = new myThread("高铁");
//        myThread my2 = new myThread("飞机");

        my1.start();
        my2.start();
        
        //static Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

1.4线程优先级

  • 线程调度
    两种调度方式
      分时调度模型:所有线程轮流使用 CPU 的使用权,平均分配每个线程占用 CPU 的时间片
      抢占式调度模型: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,优先级高的线程获取的 CPU 时间片相对多一些
    Java使用的是抢占式调度模型
    随机性
    假如计算机只有一个 CPU,那么 CPU 在某一个时刻只能执行一条指令,线程只有得到CPU时间片,也就是使用权,才可以执行指令。所以说多线程程序的执行是有随机性,因为谁抢到CPU的使用权是不一定的优先级相关方法
方法名 说明
final int getPriority() 返回此线程的优先级
final void setPriority(int newPriority) 更改此线程的优先级 线程默认优先级是5;线程优先级的范围是:1-10
public class ThreadPriority extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0;i<100;i++){
            System.out.println(getName()+":"+i);
        }
    }
}

public class test3 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPriority tp1 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp2 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp3 = new ThreadPriority();

        tp1.setName("高铁");
        tp2.setName("飞机");
        tp3.setName("汽车");

        //public final int getPriority():返回此线程的优先级
        System.out.println(tp1.getPriority());// 5
        System.out.println(tp2.getPriority());// 5
        System.out.println(tp3.getPriority()); //5

        //public final void setPriority(int newPriority):更改此线程的优先级
        // tp1.setPriority(10000); //IllegalArgumentException
        System.out.println(Thread.MAX_PRIORITY); //10
        System.out.println(Thread.MIN_PRIORITY); //1
        System.out.println(Thread.NORM_PRIORITY); //5

        //设置正确的优先级
        tp1.setPriority(5);
        tp2.setPriority(10);
        tp3.setPriority(1);

        tp1.start();
        tp2.start();
        tp3.start();
    }
}

1.5线程控制

  • 相关方法
方法名 说明
static void sleep(long millis) 使当前正在执行的线程停留(暂停执行)指定的毫秒数
void join() 等待这个线程死亡
void setDaemon(boolean on) 将此线程标记为守护线程,当运行的线程都是守护线程时,Java虚拟机将退出
  • 代码演示
//sleep演示
public class ThreadSleep extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
//测试类
public class test4 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadSleep ts1 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts2 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts3 = new ThreadSleep();

        ts1.setName("曹操");
        ts2.setName("刘备");
        ts3.setName("孙权");


        ts1.start();
        ts2.start();
        ts3.start();
    }
}
//Join演示:
public class ThreadJoin extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
        }
    }
}
public class test5 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadJoin tj1 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj2 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj3 = new ThreadJoin();

        tj1.setName("康熙");
        tj2.setName("四阿哥");
        tj3.setName("六阿哥");

        tj1.start();
        try {
            tj1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        tj2.start();
        tj3.start();
    }
}

//Daemon演示:
public class ThreadDaemon extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
        }
    }
}
public class test6 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDaemon td1 = new ThreadDaemon();
        ThreadDaemon td2 = new ThreadDaemon();

        td1.setName("张飞");
        td2.setName("关羽");

        //设置主线程为刘备
        Thread.currentThread().setName("刘备");

        //设置守护线程
        td1.setDaemon(true);
        td2.setDaemon(true);

        td1.start();
        td2.start();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
        }
    }
}

1.6线程的生命周期

线程一共有五种状态,线程在各种状态之间转换。
Java基础day20

1.7实现多线程方式二:实现Runnable接口

Thread构造方法

方法名 说明
Thread(Runnable target) 分配一个新的Thread对象
Thread(Runnable target, String name) 分配一个新的Thread对象
  • 实现步骤
    定义一个类MyRunnable实现Runnable接口
    在MyRunnable类中重写run()方法
    创建MyRunnable类的对象
    创建Thread类的对象,把MyRunnable对象作为构造方法的参数
    启动线程
  • 代码演示
public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
        }
    }
}
public class test7 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建MyRunnable类的对象
        MyRunnable my = new MyRunnable();

        //创建Thread类的对象,把MyRunnable对象作为构造方法的参数
        // Thread(Runnable target)
//        Thread t1 = new Thread(my);
//        Thread t2 = new Thread(my);

        //Thread(Runnable target, String name)
        Thread t1 = new Thread(my,"高铁");
        Thread t2 = new Thread(my,"飞机");

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
  • 多线程的实现方案有两种
    继承Thread类
    实现Runnable接口
  • 相比继承Thread类,实现Runnable接口的好处
    避免了Java单继承的局限性
    适合多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况,把线程和程序的代码、数据有效分离,较好的体现
    了面向对象的设计思想

2.线程同步

2.1卖票

  • 案例需求
    某电影院目前正在上映国产大片,共有100张票,而它有3个窗口卖票,请设计一个程序模拟该电影院卖票
  • 实现步骤
    • 定义一个类SellTicket实现Runnable接口,里面定义一个成员变量:private int tickets = 100;
    • 在SellTicket类中重写run()方法实现卖票,代码步骤如下
    • 判断票数大于0,就卖票,并告知是哪个窗口卖的
    • 卖了票之后,总票数要减1
    • 票没有了,也可能有人来问,所以这里用死循环让卖票的动作一直执行
    • 定义一个测试类SellTicketDemo,里面有main方法,代码步骤如下
    • 创建SellTicket类的对象
    • 创建三个Thread类的对象,把SellTicket对象作为构造方法的参数,并给出对应的窗口名称
    • 启动线程
  • 代码实现
public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if (tickets>0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第"+tickets+"张票");
                tickets--;
            }
        }
    }
}

public class test1 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建SellTicket类的对象
        SellTicket st = new SellTicket();

        //创建三个Thread类的对象,把SellTicket对象作为构造方法的参数,并给出对应的窗口名称
        Thread t1 = new Thread(st,"窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st,"窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st,"窗口3");

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

2.2卖票案例的问题

  • 卖票出现了问题
    相同的票出现了多次
    出现了负数的票
  • 问题产生原因
    线程执行的随机性导致的
//解决票数为复数的问题,但是仍会出现重复
public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if (tickets>0){
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第"+tickets+"张票");
                tickets--;
            }
        }
    }
}

2.3同步代码块解决数据安全问题

  • 安全问题出现的条件
    是多线程环境
    有共享数据
    有多条语句操作共享数据
  • 如何解决多线程安全问题呢?
    基本思想:让程序没有安全问题的环境
  • 怎么实现呢?
    把多条语句操作共享数据的代码给锁起来,让任意时刻只能有一个线程执行即可
    Java提供了同步代码块的方式来解决
  • 同步代码块格式:
synchronized(任意对象) { 
	多条语句操作共享数据的代码 
}

synchronized(任意对象):就相当于给代码加锁了,任意对象就可以看成是一把锁

  • 同步的好处和弊端
    好处:解决了多线程的数据安全问题
    弊端:当线程很多时,因为每个线程都会去判断同步上的锁,这是很耗费资源的,无形中会降低程序的运行效率
  • 代码演示
public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    private Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //tickets = 100;
            // t1,t2,t3
            // 假设t1抢到了CPU的执行权
            // 假设t2抢到了CPU的执行权
            synchronized (obj) {
                //t1进来后,就会把这段代码给锁起来
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                    tickets--;
                }
            }
        }
    }
}

public class test1 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建SellTicket类的对象
        SellTicket st = new SellTicket();

        //创建三个Thread类的对象,把SellTicket对象作为构造方法的参数,并给出对应的窗口名称
        Thread t1 = new Thread(st,"窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st,"窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st,"窗口3");

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

2.4同步方法解决数据安全问题

  • 同步方法的格式
    同步方法:就是把synchronized关键字加到方法上
修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) { 
	方法体; 
}

同步方法的锁对象是什么呢?
this

  • 静态同步方法
    同步静态方法:就是把synchronized关键字加到静态方法上
修饰符 static synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) { 
	方法体; 
}

同步静态方法的锁对象是什么呢?
类名.class

  • 代码演示
public class SellTicket implements Runnable {
    private static int tickets = 100;
    private int x = 0;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            sellTicket();
        }
    }

    //同步方法
//    private synchronized void sellTicket() {
//        if (tickets > 0){
//            try {
//                Thread.sleep(100);
//            } catch (InterruptedException e) {
//                e.printStackTrace();
//            }
//            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
//            tickets--;
//        }
//    }

    // 静态同步方法
    private static synchronized void sellTicket() {
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
            tickets--;
        }
    }
}

public class test1 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建SellTicket类的对象
        SellTicket st = new SellTicket();

        //创建三个Thread类的对象,把SellTicket对象作为构造方法的参数,并给出对应的窗口名称
        Thread t1 = new Thread(st,"窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st,"窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st,"窗口3");

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

2.5线程安全的类

  • StringBuffer
    • 线程安全,可变的字符序列
    • 从版本JDK 5开始,被StringBuilder 替代。 通常应该使用StringBuilder类,因为它支持所有相同的操作,但它更快,因为它不执行同步
  • Vector
    • 从Java 2平台v1.2开始,该类改进了List接口,使其成为Java Collections Framework的成员。 与新的集
    • 合实现不同, Vector被同步。 如果不需要线程安全的实现,建议使用ArrayList代替Vector
  • Hashtable
    • 该类实现了一个哈希表,它将键映射到值。 任何非null对象都可以用作键或者值
    • 从Java 2平台v1.2开始,该类进行了改进,实现了Map接口,使其成为Java Collections Framework的成员。 与新的集合实现不同, Hashtable被同步。 如果不需要线程安全的实现,建议使用HashMap代替Hashtable

2.6Lock锁

虽然我们可以理解同步代码块和同步方法的锁对象问题,但是我们并没有直接看到在哪里加上了锁,在哪里释放了锁,为了更清晰的表达如何加锁和释放锁,JDK5以后提供了一个新的锁对象Lock

Lock是接口不能直接实例化,这里采用它的实现类ReentrantLock来实例化
  • ReentrantLock构造方法
方法名 说明
ReentrantLock() 创建一个ReentrantLock的实例
  • 加锁解锁方法
方法名 说明
void lock() 获得锁
void unlock() 释放锁
  • 代码演示
//卖票方法
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SellTicket implements Runnable{
    private int tickets = 100;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                lock.lock();
                if (tickets>0){
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                    tickets--;
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}
//测试类
public class test1 {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket st = new SellTicket();

        Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

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

3.生产者消费者

3.1生产者和消费者模式概述

  • 概述
    生产者消费者模式是一个十分经典的多线程协作的模式,弄懂生产者消费者问题能够让我们对多线程编程的理解更加深刻。
    所谓生产者消费者问题,实际上主要是包含了两类线程:
    一类是生产者线程用于生产数据
    一类是消费者线程用于消费数据
    为了解耦生产者和消费者的关系,通常会采用共享的数据区域,就像是一个仓库
    生产者生产数据之后直接放置在共享数据区中,并不需要关心消费者的行为
    消费者只需要从共享数据区中去获取数据,并不需要关心生产者的行为
    Java基础day20
  • Object类的等待和唤醒方法
方法名 说明
void wait() 导致当前线程等待,直到另一个线程调用该对象的 notify()方法或 notifyAll()方法
void notify() 唤醒正在等待对象监视器的单个线程
void notifyAll() 唤醒正在等待对象监视器的所有线程

3.2生产者和消费者案例

  • 案例需求
    生产者消费者案例中包含的类:
    奶箱类(Box):定义一个成员变量,表示第x瓶奶,提供存储牛奶和获取牛奶的操作
    生产者类(Producer):实现Runnable接口,重写run()方法,调用存储牛奶的操作
    消费者类(Customer):实现Runnable接口,重写run()方法,调用获取牛奶的操作
    测试类(BoxDemo):里面有main方法,main方法中的代码步骤如下
    ①创建奶箱对象,这是共享数据区域
    ②创建消费者创建生产者对象,把奶箱对象作为构造方法参数传递,因为在这个类中要调用存储牛奶的操作
    ③对象,把奶箱对象作为构造方法参数传递,因为在这个类中要调用获取牛奶的操作
    ④创建2个线程对象,分别把生产者对象和消费者对象作为构造方法参数传递
    ⑤启动线程
  • 代码实现
public class Box {
    //定义一个成员变量,表示第x瓶奶
    private int milk;
    //定义一个成员变量,表示奶箱的状态
    private boolean state = false;

    //提供存储牛奶和获取牛奶的操作
    public synchronized void put(int milk) {
        //如果有牛奶,等待消费
        if (state){
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果没有牛奶,就生产牛奶
        this.milk = milk;
        System.out.println("送奶工将第" + this.milk + "瓶奶放入奶箱");

        //生产完毕之后,修改奶箱状态
        state = true;

        //唤醒其他等待的线程
        notifyAll();
    }

    public synchronized void get() {
        //如果没有牛奶,等待生产
        if(!state) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果有牛奶,就消费牛奶
        System.out.println("用户拿到第" + this.milk + "瓶奶");

        //消费完毕之后,修改奶箱状态
        state = false;

        //唤醒其他等待的线程
        notifyAll();
    }
}

public class Producer implements Runnable {
    private Box b;

    public Producer() {
    }

    public Producer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 30; i++) {
            b.put(i);
        }
    }
}

public class Customer implements Runnable{
    private Box b;

    public Customer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            b.get();
        }
    }
}

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        //创建奶箱对象,这是共享数据区域
        Box b = new Box();
        //创建生产者对象,把奶箱对象作为构造方法参数传递,因为在这个类中要调用存储牛奶的操作
        Producer p = new Producer(b);
        // 创建消费者对象,把奶箱对象作为构造方法参数传递,因为在这个类中要调用获取牛奶的操作
        Customer c = new Customer(b);

        //创建2个线程对象,分别把生产者对象和消费者对象作为构造方法参数传递
        Thread t1 = new Thread(p);
        Thread t2 = new Thread(c);

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
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