Java 笔记 17：JavaSE：多线程基础，单例设计模式（重要）

JavaSE：多线程基础

多线程相关知识的课程安排：

• 1、JavaSE：多线程基础
• 2、后面：多线程高级 juc
• 多线程相关的一些概念：（了解）
• 程序：
• 当你要完成某个/些任务，功能时，选择一种编程语言而编写的一组指令的集合。
• 软件：
• 软件 = 程序 + 程序运行所需要的一些资源文件。
• 一个软件中可能会有很多个程序构成。
• 进程：
• 程序的一次运行。
• 每个进程之间是独立。操作系统在分配资源（例如：内存）时，是以进程为单位。
• 两个进程之间进行切换，通信（交换数据）等操作时，成本比较高。
• 线程：
• 进程中的其中一条执行路径。
• 同一个进程中的多个线程之间是可以共享部分内存（方法区、堆），每个线程的有些内存又是独立（虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器）。
• 因为线程之间可能使用共享内存，那么在数据交换成本上就比较低。而且线程之间的切换，对于CPU和操作系统来说，成本比较低。
• 所以我们通常用多线程来代替多进程的方式，实现多任务开发。
• 线程是CPU调度的最小单位。
• 并行：
• 多个线程同时运行。
• 并行，要求同时进行。针对CPU多核，甚至多个CPU，同时运行多个线程任务。
• 并发：
• 多个进程同时运行
• 高并发，多个任务处理功能，但是不要求同时进行。
• CPU：一个CPU同一个时间只能够运行一个线程的任务。
• 如何实现多个线程同时运行的呢？
• 是因为CPU是非常快，这个速度远远高于内存、硬盘、人的大脑反应的速度。
• 那么CPU会在多个线程之间，快速的切换，人是感觉不到。

1、Java中如何去实现多线程？

• （1）Java的程序入口是main，其实也是main线程，主线程。
• 线程是进程的其中一条执行路径，即一个进程至少有一个线程。那么main线程就是Java程序进程的第一个线程了。
• （2）如何开启main线程以外的其他线程呢？
• 这里讲解JavaSE阶段2种，后面会发现还有其他方式。
• 方式有两种：①继承Thread类②实现Runnable接口
• 2、继承Thread类
• 步骤：
• （1）编写线程类去继承java.lang.Thread类
• （2）必须重写父类的public void run(){}
• 在run()中需要编写，你这个线程需要完成的任务。
• （3）创建线程类对象
• （4）启动线程：start()
• 3、实现Runnable 接口
• 步骤：
• （1）编写线程类去实现java.lang.Runnable接口
• （2）必须实现接口的抽象方法：public void run()
• 在run()中需要编写，你这个线程需要完成的任务。
• （3）创建线程类对象
• （4）启动线程：start()
• 这个start()方法只有Thread类中才有，说明我们要借用Thread类的对象。

线程的生命周期

线程的生命周期：

• （1）新建/出生

•  new好了一个线程对象，此时它和普通的Java对象并没有区别。
  

•  好比一个美女出生并慢慢长大。
  

• （2）就绪

•  就绪状态的线程是具备被CPU调用的能力和状态，也只有这个状态的线程才能被CPU调用。
  

•  即线程调用了start()
  

•  好比这个美女被送进了宫。她此时可以被皇帝宠幸。
  

• （3）运行

•  运行状态就是当前线程正在被CPU调度执行。
  

•  好比这个美女正在被宠幸。
  

•  运行->就绪  ①时间到②yield()
  

• （4）阻塞

•  从运行状态到阻塞状态有几种情况：
  

•  ①sleep()
  

•  ②wait()
  

•  ③join()
  

•  ④没锁
  

•  ⑤suspend()已过时
  

•  从阻塞回到就绪状态
  

•  ①sleep()时间到，sleep()被打断interrupt()
  

•  ②notify()
  

•  ③加塞的线程结束
  

•  ④占用锁的线程释放锁
  

•  ⑤resume()已过时
  

• （5）死亡

•  从运行到死亡：①run()正常结束②run()遇到异常但是没处理③其他线程把你stop()（已过时）
  

java.lang.Thread类的API：

• （1）public void run()：子类必须重写，它的方法体也称为线程体，即线程的任务代码
• （2）public void start()：线程启动必须用它
• （3）public static void sleep(毫秒)：休眠
• （4）public String getName()：线程的名称

•  主线程的名称：main
  

•  其他线程：默认是Thread-编号
  

• （5）public static Thread currentThread()
• （6）线程优先级
• getPriority()
• setPriority()

•  优先级的范围：MIN_PRIORITY - MAX_PRIORITY ，[1,10]
  

•  普通优先级：NORM_PRIORITY
  

•  一共10个等级。
  

• 优先级高：被CPU调度的概率增加，不表示低的没有机会。
• 所以：不能依赖于优先级来解决先后的任务问题。
• （7）public void interrupt()
• （8）public void join()：加塞
• （9）public static void yield() ：暂停当前线程，让出本次的CPU资源，加入下一次CPU的抢夺中

/*
 * 2、案例：编写龟兔赛跑多线程程序，设赛跑长度为30米
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
要求，
（1）每跑1米，显示一下结果：xxx跑了几米，
	  休息时，显示一下：xxx在休息...
	  
（2）只要有跑完的，比赛就结束，最先跑完的就赢了，其他运动员就停下来别跑了	
相当于，只比冠军  
 */
public class TestExer08 {
	public static void main(String[] args) {
		//1、启动线程
		Sportman t = new Sportman("兔子",30,100,10000);
		Sportman w = new Sportman("乌龟",30,1000,1000);
		
		t.start();
		w.start();
		
		//2、判断是否有运动员跑完了
		while(true){
			//如果有人跑完了，停下所有线程
			if(t.isFinish() || w.isFinish()){
				t.interrupt();
				w.interrupt();
				
/*				t.stop();
				w.stop();*/
				
				t.setStop(true);
				w.setStop(true);
				
				break;
			}
		}
		
		//3、宣布结果
		//看谁先跑完，谁就赢了
		if(t.isFinish() && w.isFinish()){
			System.out.println(t.getName() + "," + w.getName() + "平局");
		}else if(t.isFinish()){
			System.out.println(t.getName() + "赢了");
		}else{
			System.out.println(w.getName() + "赢了");
		}
	}
}
class Sportman extends Thread{
	private int distance;//距离
	private long runMillsPerMeter;//每米的时间，毫秒
	private long restMillsPerTenMeter;//每10米休息的时间，毫秒
	private long totalTime;
	private volatile boolean finish;//默认值是false，如果跑完了，修改为true
	private boolean stop;//默认值是false
	
	public Sportman(String name, int distance ,long millsPerMeter, long restPerTenMeter) {
		super(name);
		this.distance = distance;
		this.runMillsPerMeter = millsPerMeter;
		this.restMillsPerTenMeter = restPerTenMeter;
	}

	public void run(){
		long start = System.currentTimeMillis();
		int i;
		for (i = 1; i <= distance && !stop; i++) {
			try {
				Thread.sleep(runMillsPerMeter);//模拟跑1米的时间
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			//用线程名称代替运动员的名称
			System.out.println(getName() + "跑了" + i + "米");
			
			if(i<distance && i%10==0){
				System.out.println(getName() + "在休息....");
				try {
					Thread.sleep(restMillsPerTenMeter);//休息n秒
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
			
		}
		long end = System.currentTimeMillis();
		totalTime =  end - start;
		if(i >= distance){//不是中途结束，而是全程跑完的
			finish = true;
		}
	}

	public long getTotalTime() {
		return totalTime;
	}

	public boolean isFinish() {
		return finish;
	}

	public void setStop(boolean stop) {
		this.stop = stop;
	}
	
}

线程安全问题

举例：卖票

• 假设，有10张票，分三个窗口同时卖
• 1、线程安全问题：
• 当多个线程使用“共享数据”时，就会有线程安全问题。
• 当一个线程修改了“共享数据”，是会影响其他线程。
• 2、如何解决？
• 加锁
• 形式一：同步代码块
• 形式二：同步方法
• 3、同步代码块
• 语法格式：
• synchronized(锁对象){

•  需要加锁的代码
  

• }
• 锁对象，又称为监视器对象，同一时刻，某一段代码，只允许一个线程运行，这个锁就记录谁现在在运行，其他线程进不来。
• 锁对象的选择：
• （1）可以是任意类型的对象
• （2）必须是这几天线程要使用同一个锁对象
• 锁的代码的范围的选择：
• （1）太大了：不行
• （2）太小了：不行
• 锁一次任务

public class Test09 {
	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 total = 1000;
	private static Object lock = new Object();//锁的选择之一，单独造一个锁对象
	
	public Ticket(String name) {
		super(name);
	}

	public void run(){
	//	synchronized (this) {//这里使用this不行，因为这个this，对于三个线程来说不是同一个
		while(true){
			synchronized (lock) {
				if(total > 0){
					System.out.println(getName() + "卖出一张票");
					total--;
					try {
						Thread.sleep(10);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					System.out.println("剩余：" + total);
				}else{
					break;
				}
			}
		}
	}
}

这一种更好，因为没有用到静态数据，静态数据生命周期太长，会影响之后对于这一类的使用

/*
 * 步骤：
 * （1）编写线程类，实现Runnable
 * （2）重写run
 * （3）创建线程对象
 * （4）启动线程
 */
public class Test10 {
	public static void main(String[] args) {
		Ticket t = new Ticket();
		
		Thread t1 = new Thread(t,"窗口一");
		Thread t2 = new Thread(t,"窗口二");
		Thread t3 = new Thread(t,"窗口三");
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}
class Ticket implements Runnable{
	private int total = 10;

	@Override
	public void run() {
		while(true){
			synchronized (this) {//选择this当锁，可以，因为只有一个Ticket的对象
				if(total>0){
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"卖出一张票");
					total--;
					System.out.println("剩余：" + total);
				}else{
					break;
				}
			}
		}
	}
	
}

/*
 * 同步方法的语法格式：
 * 【修饰符】 synchronized 返回值类型  方法名(【形参列表】)throws 异常列表{
 * }
 * 
 * synchronized 【修饰符】  返回值类型  方法名(【形参列表】)throws 异常列表{
 * }
 * 
 * 同步方法的锁对象，程序员无法选择：
 * （1）非静态方法：this
 * （2）静态方法：当前类的Class对象
 */
public class Test11 {
	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 total = 10;
	
	public Ticket(String name) {
		super(name);
	}

	public void run(){
		while(total>0){//程序停止的条件
			saleOneTicket();
		}
	}
	
	public synchronized static void saleOneTicket(){
		if(total > 0){//线程安全问题的条件
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票");
			total--;
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println("剩余：" + total);
		}
	}
	
	//同步方法，锁的是方法的一次调用过程
	//非静态方法的锁对象是this，这里使用this，不是合格的锁对象
	/*public synchronized void saleOneTicket(){
		if(total > 0){//线程安全问题的条件
			System.out.println(getName() + "卖出一张票");
			total--;
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println("剩余：" + total);
		}
	}*/
}

死锁

• 两个线程，互相持有，占有对方想要的锁，不放手。

生产者，消费者问题

线程通信是用来解决生产者与消费者问题。
*

• 生产者与消费者问题：
• 有两个或者多个线程。
• 其中一个/一部分线程，生产“数据”，称为生产者线程；
• 另一个/一部分线程，消耗“数据”，称为消费者线程。
• 这些数据放在一个“共享”区域。
• 那么就会出现：
• 当“共享”区域中的数据空了，消费者线程必须"停/等待"，等待到产者线程生产了新数据后，继续进行。
• 当“共享”区域中的数据满了，生产者线程必须"停下/等待"，等到消费者线程消耗了数据后，继续进行。
• 生产者与消费者问题：
• （1）共享数据： 就会有线程安全问题，就需要同步
• （2）共享区域大小固定，有限的：就需要用到“协作”，线程通信。
• Object类中有：
• （1）wait()：必须由锁对象（线程的监视器对象）来调用。
• （2）notify()：必须由锁对象（线程的监视器对象）来调用。
• notify()作用就是唤醒一个正在等待的线程。唤醒的是同一个锁对象监视的等待线程。

public class Test14 {
	public static void main(String[] args) {
		Workbench tai = new Workbench();
		
		Cook c = new Cook("崔志恒", tai);
		Waiter w = new Waiter("翠花", tai);
		
		c.start();
		w.start();
	}
}
class Workbench{
	//假设工作台上最多能够放10盘
	private static final int MAX = 10;
	private int count;
	
	//同步方法，非静态方法来说，锁对象就是this
	public synchronized void put(){//往工作台上放一盘菜
		if(count >= MAX){
			try {
				//生产者停下来，等待
				wait();//默认是this.wait()
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		count++;
		
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "放了一盘菜，剩余：" + count);
		this.notify();
	}
	
	public synchronized void take(){//从工作台上取走一盘菜
		if(count<=0){
			try {
				//工作台没有菜，消费者应该停下来
				wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		count--;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取走一盘菜，剩余：" + count);
		this.notify();
	}
}
class Cook extends Thread{
	private Workbench tai;

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

	public void run(){
		while(true){
			tai.put();
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}
class Waiter extends Thread{
	private Workbench tai;
	
	public Waiter(String name, Workbench tai) {
		super(name);
		this.tai = tai;
	}

	public void run(){
		while(true){
			tai.take();
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

改良

/*
 * 线程通信是用来解决生产者与消费者问题。
 * 
 * 生产者与消费者问题：
 * 	  有两个或者多个线程。
 * 	 其中一个/一部分线程，生产“数据”，称为生产者线程；
 * 	另一个/一部分线程，消耗“数据”，称为消费者线程。
 * 	这些数据放在一个“共享”区域。
 *  那么就会出现：
 *    当“共享”区域中的数据空了，消费者线程必须"停/等待"，等待到产者线程生产了新数据后，继续进行。
 *    当“共享”区域中的数据满了，生产者线程必须"停下/等待"，等到消费者线程消耗了数据后，继续进行。
 *    
 *  生产者与消费者问题：
 *  （1）共享数据：    就会有线程安全问题，就需要同步
 *  （2）共享区域大小固定，有限的：就需要用到“协作”，线程通信。
 *  
 *  Object类中有：
 *  （1）wait()：必须由锁对象（线程的监视器对象）来调用。
 *  （2）notify()：必须由锁对象（线程的监视器对象）来调用。
 *  notify()作用就是唤醒一个正在等待的线程。唤醒的是同一个锁对象监视的等待线程。
 *  （3）notifyAll()：唤醒所有和我是同一个监视器对象的正在等待的线程
 */
public class Test16 {
	public static void main(String[] args) {
		Workbench tai = new Workbench();
		
		Cook c1 = new Cook("崔志恒", tai);
		Cook c2 = new Cook("甄玉禄", tai);
		Waiter w1 = new Waiter("翠花", tai);
		Waiter w2 = new Waiter("如花", tai);
//		Waiter w3 = new Waiter("秋香", tai);
		
		c1.start();
		c2.start();
		w1.start();
		w2.start();
//		w3.start();
	}
}
class Workbench{
	//假设工作台上最多能够放10盘
	private static final int MAX = 1;
	private int count;
	
	//同步方法，非静态方法来说，锁对象就是this
	public synchronized void put(){//往工作台上放一盘菜
		while(count >= MAX){
			try {
				//生产者停下来，等待
				wait();//默认是this.wait()
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		count++;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "放了一盘菜，剩余：" + count);
		this.notify();
	}
	
	public synchronized void take(){//从工作台上取走一盘菜
		while(count<=0){
			try {
				//工作台没有菜，消费者应该停下来
				wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		count--;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取走一盘菜，剩余：" + count);
//		this.notify();
		this.notifyAll();
	}
}
class Cook extends Thread{
	private Workbench tai;

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

	public void run(){
		while(true){
			tai.put();
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}
class Waiter extends Thread{
	private Workbench tai;
	
	public Waiter(String name, Workbench tai) {
		super(name);
		this.tai = tai;
	}

	public void run(){
		while(true){
			tai.take();
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

单例设计模式（重要）

单例设计模式：
*

• 单例：某个类只能有唯一的一个实例对象。
• 如何实现单例？
• 1、饿/恶汉式
• 不管我们使用者是否需要这个对象，它都上来先给你创建好这个唯一的对象。
• （1）枚举类型
• （2）形式二
• ①构造器私有化
• ②用一个全局的静态的常量，来保存这个唯一的实例对象
• （3）形式三
• ①构造器私有化
• ②用一个私有的静态的常量，来保存这个唯一的实例对象
• ③提供一个静态方法，来返回这个常量对象
• 2、懒汉式
• 延迟创建对象。当使用者来或者这个对象，要用到对象时，我再创建。
• （1）形式一：
• 见下面，考虑线程安全问题和性能问题
• （2）形式二：内部类形式

public class Test17 {
	@Test
	public void test1(){
		SingleEnum s1 = SingleEnum.INSTANCE;
		SingleEnum s2 = SingleEnum.INSTANCE;
		System.out.println(s1 == s2);
	}
	
	@Test
	public void test2(){
//		SingleEnum.test();//此时我并没有需要用到这个对象，但是它也创建出来了
	}
	
	@Test
	public void test3(){
		SingleClass s1 = SingleClass.INSTANCE;
		SingleClass s2 = SingleClass.INSTANCE;
		System.out.println(s1==s2);
	}
	
	@Test
	public void test4(){
		Single s1 = Single.getInstance();
		Single s2 = Single.getInstance();
		System.out.println(s1 == s2);
	}
	
	@Test
	public void test5(){
		LazyClass s1 = LazyClass.getInstance();
		LazyClass s2 = LazyClass.getInstance();
		System.out.println(s2 == s1);
	}
	
	LazyClass s1;
	LazyClass s2;
	@Test
	public void test6(){
		//匿名的内部类，继承Thread类
		Thread t1 = new Thread(){
			public void run(){
				s1 = LazyClass.getInstance();
			}
		};
		
		Thread t2 = new Thread(){
			public void run(){
				s2 = LazyClass.getInstance();
			}
		};
		
		t1.start();
		t2.start();
		
		try {
			//这里用join的目的是，为了两个子线程都执行完，再执行主线程的System.out.println(s1);
			t1.join();
			t2.join();
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		
		System.out.println(s1);
		System.out.println(s2);
		System.out.println(s1 == s2);
	}
	
}
enum SingleEnum{
	INSTANCE;
//	public static void test(){
//		//..
//	}
}
class SingleClass{
	public static final SingleClass INSTANCE = new SingleClass();
	private SingleClass(){
		
	}
}
class Single{
	private static final Single INSTANCE = new Single();
	private Single(){
		
	}
	public static Single getInstance(){
		return INSTANCE;
	}
}

class LazyClass{
	private static LazyClass instance;
	private LazyClass(){
		
	}
	
	public static LazyClass getInstance(){
		if(instance == null){//提高效率
			synchronized(LazyClass.class){//当前类的Class对象
				if(instance == null){//安全判断
					try {
						Thread.sleep(100);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					instance = new LazyClass();
				}
			}
		}
		return instance;
	}
	
	//安全没问题，但是认为不是最优的
/*	public synchronized static LazyClass getInstance(){
		if(instance == null){
			try {
				Thread.sleep(100);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			instance = new LazyClass();
		}
		return instance;
	}*/
	
	//有安全问题
/*	public static LazyClass getInstance(){
//		return new LazyClass();//错误的
		if(instance == null){
			try {
				Thread.sleep(100);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			instance = new LazyClass();
		}
		return instance;
	}*/
}

class Lazy{
	private Lazy(){
		
	}
	
	private static class Inner{
		public static final Lazy INSTANCE = new Lazy();//在内部类中，创建外部类的唯一对象
	}
	
	public static Lazy getInstance(){
		return Inner.INSTANCE;
	}
}

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