091_多线程（二）

时间  2020-12-04
标签 java 安全 多线程 并发 ide 工具 性能 测试 this 线程 栏目 Java 繁體版
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线程同步机制

  1. 并发：同一个对象被多个线程同时操做。
  2. 处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，而且某些线程还想修改这个对象，这时候咱们就须要线程同步。
  3. 线程同步其实就是一种等待机制，多个须要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池造成队列，等待前面的线程使用完毕，下一个线程再使用。
  4. 因为同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突问题，为了保证数据在方法中被访问时的正确性，在访问时加入 锁机制synchronized ,当一个线程得到对象的排它锁，独占资源，其余线程必须等待，使用后释放锁便可。存在如下问题：
    1. 一个线程持有锁会致使其余全部须要此锁的线程挂起。
    2. 在多线程竞争下，加锁，释放锁会致使比较多的上下文切换和调度延时，引发性能问题。
    3. 若是一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁，会致使优先级倒置，引发性能问题。

不安全案例

package com.qing.sync;

/**
 * 不安全的买票
 * 线程不安全，有负数
 */
public class UnsafeBuyTicket {
    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket buyTicket = new BuyTicket();

        new Thread(buyTicket, "杨康").start();
        new Thread(buyTicket, "郭靖").start();
        new Thread(buyTicket, "黄蓉").start();
    }
}

class BuyTicket implements Runnable {
    //票
    private int ticketNums = 10;
    @Override
    public void run() {
        //买票
        while (ticketNums > 0) {
            buy();
        }
    }
    private void buy() {
        //判断是否有票
        if (ticketNums <= 0) {
            return;
        }
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "买到第" + ticketNums-- + "票");
    }
}
杨康买到第10票
郭靖买到第9票
黄蓉买到第8票
杨康买到第7票
黄蓉买到第6票
郭靖买到第5票
杨康买到第4票
郭靖买到第3票
黄蓉买到第2票
黄蓉买到第1票
杨康买到第0票
郭靖买到第-1票
package com.qing.sync;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 线程不安全的集合
 */
public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}
9996

同步方法和同步块

  1. 因为咱们能够经过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，因此咱们只须要针对方法提出一套机制，这套机制就是synchronized关键字，它包括两种用法：
    1. synchronized方法。
    2. synchronized块。
  2. synchronized方法控制对“对象”的访问，每一个对象对应一把锁，每一个synchronized方法都必须得到调用该方法的对象的锁才能执行，不然线程会阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到该方法返回才释放锁，后面被阻塞的线程才能得到这个锁，继续执行。
  3. synchronized方法的缺陷：若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率。
  4. 同步块：synchronized(obj){}
  5. obj称之为同步监视器。
    1. obj能够是任何对象，可是推荐使用共享资源做为同步监视器。
    2. 同步方法中无需指定同步监视器，由于同步方法的同步监视器就是this，就是这个对象自己，或者是class。
  6. 同步监视器的执行过程：
    1. 第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码。
    2. 第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，没法访问。
    3. 第一个线程访问完毕，解锁同步监视器。
    4. 第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，而后锁定并访问。
  7. 同步块锁的对象是变化的量。
private synchronized void buy() {
        //判断是否有票
        if (ticketNums <= 0) {
            return;
        }
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "买到第" + ticketNums-- + "票");
    }
package com.qing.sync;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 线程不安全的集合
 */
public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(()->{
                synchronized (list) {
                    list.add(Thread.currentThread().getName());
                }
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}
10000

JUC并发安全 CopyOnWriteArrayList

package com.qing.sync;

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

/**
 * 测试JUC安全类型的集合
 */
public class TestJuc {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 30000; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}
30000

死锁

  1. 多个线程各自占有一些共享资源，而且互相等待其余线程占有的资源才能运行，而致使两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都中止执行的情形。
  2. 某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能发生“死锁”的问题。
package com.qing.sync;

/**
 * 死锁：多个线程互相持有对方须要的资源，而后造成僵持。
 */
public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        Makeup t1 = new Makeup(0,"灰姑娘");
        Makeup t2 = new Makeup(1,"白雪公主");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

//口红
class Lipstick {

}
//镜子
class Mirror {

}

class Makeup extends Thread {
    //须要的资源只有一份，用static来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();

    int choice;//选择
    String girlName;//用化妆品的人

    public Makeup(int choice,String girlName) {
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }

    @Override
    public void run() {
        //化妆
        try {
            makeup();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //化妆，互相持有对方的锁，就是须要拿到对方的资源
    private void makeup() throws InterruptedException {
        if (choice == 0) {
            synchronized (lipstick) {//得到口红的锁
                System.out.println(this.girlName + "得到口红的锁");
                Thread.sleep(1000);
                synchronized (mirror) {//一秒钟后得到镜子的锁
                    System.out.println(this.girlName + "得到镜子的锁");
                }
            }
        } else {
            synchronized (mirror) {//得到镜子的锁
                System.out.println(this.girlName + "得到镜子的锁");
                Thread.sleep(1000);
                synchronized (lipstick) {//一秒钟后得到口红的锁
                    System.out.println(this.girlName + "得到口红的锁");
                }
            }
        }
    }
}
灰姑娘得到口红的锁
白雪公主得到镜子的锁

死锁避免方法

  1. 产生死锁的四个必要条件：
    1. 互斥条件：一个资源每次只能被一个线程使用。
    2. 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已得到的资源保持不放。
    3. 不剥夺条件：进程已得到的资源，在未使用完以前，不能强行剥夺。
    4. 循环等待条件：若干进程之间造成一种头尾相接的循环等待资源关系。
  2. 上面列出了死锁的四个必要条件，只要破除其中的任意一个或多个条件就能够避免死锁发生。

Lock（锁）

  1. 从JDK5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——经过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。
  2. java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源以前应先得到Lock对象。
  3. ReentrantLock类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较经常使用的是ReentrantLock，能够显示加锁、释放锁。
//定义Lock锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void test() {
    try {
        lock.lock();//加锁
        //保证线程安全的代码        
    } finally {
        lock.unlock();//解锁
    }
}
package com.qing.sync;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 测试Lock锁
 */
public class TestLock {
    public static void main(String[] args) {
        Lock2 lock2 = new Lock2();

        new Thread(lock2).start();
        new Thread(lock2).start();
        new Thread(lock2).start();
    }
}

class Lock2 implements Runnable {

    int ticketNums = 10;

    //定义Lock锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                lock.lock();//加锁
                if (ticketNums > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(ticketNums--);
                } else {
                    break;
                }
            } finally {
                lock.unlock();//解锁
            }
        }
    }
}
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1

synchronized与Lock的对比

  1. Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁）；synchronized是隐式锁，出了做用域自动释放。
  2. Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁。
  3. 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好，而且具备更好的扩展性（提供更多的子类）。
  4. 优先使用顺序：Lock>同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源）>同步方法（在方法体以外）。

线程协做：生产者消费者模式

线程通讯

  1. Java提供了几个方法解决线程之间的通讯问题。

image.png

  1. 几个方法均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，不然会抛出异常IllegalMonitorStateException。

管程法

  1. 生产者：负责生产数据的模块（多是方法，对象，线程，进程）。
  2. 消费者：负责处理数据的模块（多是方法，对象，线程，进程）。
  3. 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”。
  4. 生产者将生产的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据。

image.png

package com.qing.sync;

/**
 * 测试管程法：生产者消费者模型-->利用缓冲区解决
 * 生产者，消费者，产品，缓冲区
 */
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer container = new SynContainer();

        new Producer(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

//生产者
class Producer extends Thread {
    SynContainer container;

    public Producer(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }
    //生产
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i < 20; i++) {
            container.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了" + i + "号鸡");
        }
    }
}
//消费者
class Consumer extends Thread {
    SynContainer container;

    public Consumer(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }
    //消费
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i < 20; i++) {
            System.out.println("消费了" + container.pop().id + "号鸡");
        }
    }
}
//产品
class Chicken {
    int id;//产品编号

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}
//缓冲区
class SynContainer {
    //须要一个容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[5];
    //容器计数器
    int count = 0;

    //生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken) {
        //若是容器满了，就须要等待消费者消费
        if (count == chickens.length) {
            //生产者等待
            try {
                System.out.println("push-->wait");
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //若是容器没有满，就放入产品
        chickens[count] = chicken;
        count++;
        //通知消费者消费
        System.out.println("push-->notifyAll");
        this.notifyAll();
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop() {
        //若是容器空了，就须要等待生产者放入产品
        if (count == 0) {
            //消费者等待
            try {
                System.out.println("pop-->wait");
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //若是容器没有空，就消费产品
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];
        //通知生产者生产
        System.out.println("pop-->notifyAll");
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}
pop-->wait
push-->notifyAll
生产了1号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了2号鸡
push-->notifyAll
消费了2号鸡
pop-->notifyAll
生产了3号鸡
消费了3号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了4号鸡
消费了4号鸡
push-->notifyAll
生产了5号鸡
pop-->notifyAll
消费了5号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了6号鸡
消费了6号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
消费了7号鸡
pop-->notifyAll
生产了7号鸡
消费了1号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
消费了8号鸡
pop-->wait
生产了8号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了9号鸡
消费了9号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了10号鸡
push-->notifyAll
消费了10号鸡
pop-->notifyAll
消费了11号鸡
pop-->wait
生产了11号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了12号鸡
消费了12号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了13号鸡
消费了13号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了14号鸡
push-->notifyAll
消费了14号鸡
pop-->notifyAll
消费了15号鸡
pop-->wait
生产了15号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了16号鸡
消费了16号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
消费了17号鸡
pop-->wait
生产了17号鸡
push-->notifyAll
pop-->notifyAll
生产了18号鸡
push-->notifyAll
消费了18号鸡
生产了19号鸡
pop-->notifyAll
消费了19号鸡

信号灯法

package com.qing.sync;

/**
 * 测试信号灯法：生产者消费者模型--》标志位解决
 */
public class TestPC2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();

        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}

//生产者-->演员
class Player extends Thread {
    TV tv;

    public Player(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (i%2 == 0) {
                this.tv.play("天上");
            } else {
                this.tv.play("人间");
            }
        }
    }
}
//消费者-->观众
class Watcher extends Thread {
    TV tv;

    public Watcher(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            this.tv.watch();
        }
    }
}
//产品-->节目
class TV {
    //演员表演，观众等待 T
    //观众观看，演员等待 F
    String voice;//表演的节目
    boolean flag = true;

    //表演
    public synchronized void play(String voice) {
        if (!flag) {
            try {
                System.out.println("play-->wait");
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("演员表演:" + voice);
        //通知观众观看
        System.out.println("play-->notifyAll");
        this.notifyAll();
        this.voice = voice;
        this.flag = !this.flag;
    }
    //观看
    public synchronized void watch() {
        if (flag) {
            try {
                System.out.println("watch-->wait");
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观众观看：" + voice);
        //通知演员表演
        System.out.println("watch-->notifyAll");
        this.notifyAll();
        this.voice = voice;
        this.flag = !this.flag;
    }
}
演员表演:天上
play-->notifyAll
play-->wait
观众观看：天上
watch-->notifyAll
watch-->wait
演员表演:人间
play-->notifyAll
play-->wait
观众观看：人间
watch-->notifyAll
watch-->wait
演员表演:天上
play-->notifyAll
play-->wait
观众观看：天上
watch-->notifyAll
watch-->wait
演员表演:人间
play-->notifyAll
play-->wait
观众观看：人间
watch-->notifyAll
watch-->wait
演员表演:天上
play-->notifyAll
play-->wait
观众观看：天上
watch-->notifyAll
watch-->wait
演员表演:人间
play-->notifyAll
play-->wait
观众观看：人间
watch-->notifyAll
watch-->wait
演员表演:天上
play-->notifyAll
play-->wait
观众观看：天上
watch-->notifyAll
watch-->wait
演员表演:人间
play-->notifyAll
play-->wait
观众观看：人间
watch-->notifyAll
watch-->wait
演员表演:天上
play-->notifyAll
play-->wait
观众观看：天上
watch-->notifyAll
watch-->wait
演员表演:人间
play-->notifyAll
观众观看：人间
watch-->notifyAll

线程池

  1. 背景：常常建立和销毁、使用量特别大的资源，好比并发状况下的线程，对性能影响很大。
  2. 思路：提早建立好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。能够避免频繁的建立销毁，实现重复利用。
  3. 好处：
    1. 提供响应速度（减小了建立新线程的时间）。
    2. 下降资源消耗（重复利用线程池中的线程，不须要每次都建立）。
    3. 便于线程管理
      1. corePoolSize：核心池的大小
      2. maximumPoolSize：最大线程数
      3. keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
  4. JDK5.0提供了线程池相关API：ExecutorService和Executors。
  5. ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor.
    1. void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，通常用来执行Runnable.
    2. Future submit(Callable task)：执行任务，有返回值，通常用来执行Callable。
    3. void shutdown：关闭链接池。
  6. Executors：工具类、线程池的工厂类，用于建立并返回不一样类型的线程池。
package com.qing.sync;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * 测试线程池
 */
public class TestPool {
    public static void main(String[] args) {
        //1.建立服务，建立线程池
        //参数：线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);

        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        //2.关闭链接
        service.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}
pool-1-thread-1
pool-1-thread-2
pool-1-thread-4
pool-1-thread-3
pool-1-thread-3
pool-1-thread-3
pool-1-thread-3
pool-1-thread-5

总结

package com.qing.sync;

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

/**
 * 回顾总结线程的建立
 */
public class ThreadNew {
    public static void main(String[] args) {
        new MyThread1().start();

        new Thread(new MyThread2()).start();

        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new MyThread3());
        new Thread(futureTask).start();
        try {
            Integer integer = futureTask.get();
            System.out.println(integer);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

//1.继承Thread类
class MyThread1 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread1");
    }
}
//2.实现Runnable接口
class MyThread2 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread2");
    }
}
//3.实现Callable接口
class MyThread3 implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("MyThread3");
        return 10;
    }
}
MyThread1
MyThread2
MyThread3
10
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