【Java多线程】1——多线程知识回顾

1 多线程知识回顾

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文章目录

1 多线程知识回顾
- 1.1 基础概念
- - 1.1.1 程序、进程、线程
  - - 程序
    - 进程
    - 线程
  - 1.1.2 串行、并行、并发
  - - 串行
    - 并行和并发
  - 1.1.3 sleep()和wait()
  - - `sleep()`进入等待状态不释放锁
    - `wait()`进入等待状态释放锁
    - 小结
  - 1.1.4 同步方法和同步代码块
  - - 相同点
    - 区别
    - 小结
- 1.2 创建多线程
- - 1.2.1 继承Thread类
  - - 实现方法
    - `start()` 方法和 `run()` 方法区别
    - 评价
  - 1.2.2 实现Runnable接口
  - - 实现接口形式
    - 匿名内部类形式
    - Lambda表达式
  - 1.2.3 使用Callable接口配合FutureTask
  - - `FutureTask`类和`Runnable`接口的关系
    - Future接口
    - `FutureTask`类的构造器
    - Callable接口
    - 测试代码
    - callable和Runnable对比
  - 1.2.4 线程池
  - - 参考代码
  - 1.2.5 并行计算
  - 1.2.6 Timer定时任务
  - 1.2.7 Spring异步方法
  - - 准备SpringBoot环境
    - 使用异步方法
- 1.3 线程状态与生命周期
- - 1.3.1 线程状态枚举类
  - - 源代码
    - 说明
  - 1.3.2 线程的生命周期
- 1.4 线程间通信
- - 1.4.1 核心语法
  - - `Object` 类的 `wait()` 方法
    - `Object` 类的 `notify()` 方法
    - `Object` 类的 `notifyAll()` 方法
  - 1.4.2 虚假唤醒

1.1 基础概念

1.1.1 程序、进程、线程

程序

程序从开发到发布的过程：源程序（源代码） → 打包封装 → 应用软件；
笼统的来说，源程序、应用软件都可以称之为『程序』；
相对于进程、线程来说，程序是一个静态的概念；

进程

内部视角：程序运行起来就是一个进程。所以相对于程序来说，进程是一个动态的概念；
外部视角：站在操作系统的层次上来说，现代的大型操作系统都是支持多进程模式运行的，这样操作系统就可以同时执行很多个任务；

线程

在一个进程中，需要同时处理多个不同任务，每一个任务由一个线程来执行。从这个意义上来说，可以把进程看做是线程的容器。

在这里插入图片描述

1.1.2 串行、并行、并发

串行

多个操作在同一个线程内按顺序执行。这种情况下的工作模式我们往往也称之为：同步。按照同步模式执行的多个操作，当前操作没有结束时，下一个操作就必须等待。处于等待中的状态往往也称为：阻塞（block）。

并行和并发

并行和并发都是以异步的模式来执行操作的。异步工作模式下不同线程内的操作互相不需要等待。

并行：多个 CPU（或 CPU 核心）同时执行多个任务
并发：一个 CPU（或 CPU 核心）同时执行多个任务

1.1.3 sleep()和wait()

二者最关键的区别是下面两点：

sleep() 会让线程拿着锁去睡；
wait() 会让线程放开锁去睡；

`sleep()`进入等待状态不释放锁

// 1、创建一个对象，作为锁对象
Object lockObj = new Object();

// 2、创建执行 sleep 的线程
new Thread(()->{

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin");
    // ※ 两个线程使用同一个锁对象，就会存在竞争关系
    synchronized (lockObj) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");
        try {

            // ※ sleep() 方法拿着锁去睡
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release lock");

    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end");

}, "thread-a").start();

// ※ 让主线程睡一会儿，确保 a 线程先启动
try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {}

// 3、创建竞争锁的线程
new Thread(()->{

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin");
    // ※ 两个线程使用同一个锁对象，就会存在竞争关系
    synchronized (lockObj) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");
    }

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end");
}, "thread-b").start();

打印结果：

thread-a begin

thread-a get lock

thread-b begin

thread-a release lock

thread-b get lock

thread-b end

thread-a end

`wait()`进入等待状态释放锁

// 1、创建一个对象，作为锁对象
Object lockObj = new Object();

// 2、创建执行 sleep 的线程
new Thread(()->{

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin");
    // ※ 两个线程使用同一个锁对象，就会存在竞争关系
    synchronized (lockObj) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");
        try {

            // ※ wait() 方法放开锁去睡
            lockObj.wait(5000);

        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release lock");

    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end");

}, "thread-a").start();

// ※ 让主线程睡一会儿，确保 a 线程先启动
try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {}

// 3、创建竞争锁的线程
new Thread(()->{

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin");
    // ※ 两个线程使用同一个锁对象，就会存在竞争关系
    synchronized (lockObj) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");
    }

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end");
}, "thread-b").start();

打印结果：

thread-a begin

thread-a get lock

thread-b begin

thread-b get lock

thread-b end

thread-a release lock

thread-a end

小结

	wait()	sleep()
声明位置	Object 类	Thread 类
影响线程的方式	通过调用 wait() 方法的对象影响到线程	直接影响当前线程
性质	非静态方法	静态方法
释放锁资源	放开锁进入等待	不释放锁进入等待
同步要求	必须在同步上下文中使用	不要求在同步上下文中
应用场景	用于线程间通信	用来让线程暂停一段时间

1.1.4 同步方法和同步代码块

相同点

都会用到synchronized关键字

区别

	锁对象	锁定范围
同步代码块	由程序员指定	代码块的范围（灵活）
同步方法	静态：类.class 非静态：this	整个方法体

小结

结论1：静态同步方法使用类.class作为锁对象；非静态同步方法使用this作为锁对象；
结论2：多个线程如果使用同一个锁对象就会有竞争关系；否则没有竞争关系；

1.2 创建多线程

无论有多少种形式，创建多线程的真正的方法，其实只有两种：

继承 Thread 类

实现 Runnable 接口

其它形式都是这两种方式的变体

1.2.1 继承Thread类

实现方法

第一步：继承 Thread 类；
第二步：重写 run() 方法；
第三步：创建 Thread 子类对象；
第四步：调用 start() 方法启动线程；

public class CreateThread01Extends {

    public static void main(String[] args) {
        DemoThread demo = new DemoThread("AAA");
        demo.start();
    }

}

class DemoThread extends Thread {

    public DemoThread(String threadName) {
        super(threadName);
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread working ...");
    }
}

`start()` 方法和 `run()` 方法区别

调用 run() 方法仅仅只是调用了一个子类中重写的父类方法，并没有真正开启一个新的线程，还是在当前线程运行，也就是 main 线程。

评价

因为 Java 是单继承的，一个类继承了 Thread 类就不能继承其它类，所以通常不采用这个办法创建多线程。

1.2.2 实现Runnable接口

实现接口形式

public class CreateThread02Impl {

    public static void main(String[] args) {

        // 第四步：创建实现了 Runnable 接口的类的对象
        MyRunnableThread runnable = new MyRunnableThread();

        // 第五步：创建 Thread 类对象
        // 参数1：runnable 对象
        // 参数2：线程名称
        Thread thread = new Thread(runnable, "thread 002");

        // 第六步：调用 Thread 对象的 start() 方法启动线程
        thread.start();
    }

}

// 第一步：实现 Runnable 接口
class MyRunnableThread implements Runnable {

    // 第二步：实现 run() 方法
    @Override
    public void run() {

        // 第三步：编写线程中的逻辑代码
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");
    }
}

匿名内部类形式

// 第一步：以匿名内部类的方式创建 Runnable 接口类型的对象
Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 第二步：编写线程中的逻辑代码
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");
    }
};

// 第三步：创建 Thread 类对象
// 参数1：runnable 对象
// 参数2：线程名称
Thread thread = new Thread(runnable, "thread 003");

// 第四步：调用 Thread 对象的 start() 方法启动线程
thread.start();

Lambda表达式

声明变量：

// 编写 Lambda 表达式的口诀：
// 复制小括号
// 写死右箭头
// 落地大括号

// 第一步：以匿名内部类的方式创建 Runnable 接口类型的对象
Runnable runnable = () -> {
    // 第二步：编写线程中的逻辑代码
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");
};

// 第三步：创建 Thread 类对象
// 参数1：runnable 对象
// 参数2：线程名称
Thread thread = new Thread(runnable, "thread 004");

// 第四步：调用 Thread 对象的 start() 方法启动线程
thread.start();

不声明变量：

// 第一步：创建 Thread 类对象并调用 start() 方法启动线程
// 参数1：以Lambda 表达式形式创建的 runnable 对象
// 参数2：线程名称
new Thread(() -> {
    // 第二步：编写线程中的逻辑代码
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is working");
}, "thread 005").start();

1.2.3 使用Callable接口配合FutureTask

该方案最核心的价值是：使用 Callable 接口限定的功能 + Future 接口限定的功能 = 汇总各个线程执行结果最终执行汇总操作的这一步会被阻塞，直到前面各个线程完成了计算。

`FutureTask`类和`Runnable`接口的关系

在这里插入图片描述

从继承关系能够看到，FutureTask本身也间接实现了Runnable接口。FutureTask类的对象也是Runnable接口的实例，可以用于在创建Thread对象时，传入Thread构造器。

Future接口

停止任务：

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

如果尚未启动，它将停止任务。如果已启动，则仅在 mayInterrupt 为 true 时才会中断任务。

获取任务的结果：

V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

如果任务完成，它将立即返回结果，否则将等待任务完成，然后返回结果。

判断任务是否完成：

boolean isDone();

如果任务完成，则返回true，否则返回false。

`FutureTask`类的构造器

介绍：

FutureTask 类兼具 Runnable 和 Future 接口的功能，并方便地将两种功能组合在一起。关于 FutureTask 类的使用有如下建议：

在主线程中需要执行比较耗时的操作时，但又不想阻塞主线程时，可以把这些作业交给 Future 对象在后台完成；
当主线程将来需要时，就可以通过 Future 对象获得后台作业的计算结果或者执行状态；
一般 FutureTask 多用于耗时的计算，主线程可以在完成自己的任务后，再去获取结果；
仅在计算完成时才能检索结果；如果计算尚未完成，则阻塞 get() 方法；
一旦计算完成，就不能再重新开始或取消计算；
get() 方法而获取结果只有在计算完成时获取，否则会一直阻塞直到任务转入完成状态，然后会返回结果或者抛出异常；
get() 只执行一次，因此get() 方法放到最后；

可以使用的构造器：

    public FutureTask(Callable<V> callable) {
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

根据这个构造器，我们知道，创建 FutureTask 对象时，传入一个 Callable 类型的对象即可。

Callable接口

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

从 call() 方法的声明我们可以看出，它有一个返回值。这个返回值可以将当前线程内计算结果返回。

测试代码

// 1.创建三个FutureTask对象，封装三个线程的执行逻辑
FutureTask<Integer> task01 = new FutureTask<>(() -> {

    int result = (int) (Math.random() * Math.random() * 100);

    System.out.println(Thread.currentThread().getName());

    return result;
});
FutureTask<Integer> task02 = new FutureTask<>(() -> {

    int result = (int) (Math.random() * Math.random() * 1000);

    System.out.println(Thread.currentThread().getName());

    return result;
});
FutureTask<Integer> task03 = new FutureTask<>(() -> {

    int result = (int) (Math.random() * Math.random() * 10000);

    System.out.println(Thread.currentThread().getName());

    return result;
});

// 2.创建三个线程对象，然后启动线程
new Thread(task01, "thread01").start();
new Thread(task02, "thread02").start();
new Thread(task03, "thread03").start();

// 3.上面三个线程执行完成后，可以收集它们各自运算的结果
Integer task01Result = task01.get();
Integer task02Result = task02.get();
Integer task03Result = task03.get();

System.out.println("task01Result = " + task01Result);
System.out.println("task02Result = " + task02Result);
System.out.println("task03Result = " + task03Result);

callable和Runnable对比

Runnable接口	Callable接口
重写run()方法	重写call()方法
run()没有返回值	call()有返回值
run()没有声明抛出异常	call()声明抛出Exception
没有汇总各个线程结果的机制	有汇总各个线程结果的机制

1.2.4 线程池

参考代码

// 1.创建线程池对象
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);

// 2.给线程池对象分配任务，每一个任务是一个线程
pool.execute(() -> {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
});

pool.execute(() -> {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
});

pool.execute(() -> {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
});

1.2.5 并行计算

List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c", "d", "e");

// 串行计算
list.stream().forEach(System.out::print);

System.out.println();

// 并行计算
list.parallelStream().forEach(System.out::print);

1.2.6 Timer定时任务

// 1、创建 Timer 对象封装定时任务中要执行的操作
// 每一个 Timer 对象会使用一个线程来执行定时任务
Timer timer01 = new Timer();

// 2、调用 schedule() 指定任务和执行周期
// 参数1：timerTask 封装具体任务操作
// 参数2：delay 指定定时任务延迟多久后开始执行
// 参数3：period 指定定时任务执行的时间间隔
timer01.schedule(new TimerTask() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" is working");
    }
}, 0, 1000);

Timer timer02 = new Timer();

timer02.schedule(new TimerTask() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" is working");
    }
}, 0, 1000);

1.2.7 Spring异步方法

在 Spring 环境下，如果组件 A（假设是 ControllerA）要调用组件 B（假设是 ServiceB）的多个方法，而且希望这些方法能够异步执行。

准备SpringBoot环境

引入依赖：

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        <version>2.5.2</version>
    </dependency>
</dependencies>

创建主启动类：

@SpringBootApplication
public class Application {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }

}

创建Service：

@Service
public class DemoService {
    
    public void doSth() {
        System.out.println("Demo Service " + Thread.currentThread().getName());
    }

}

创建Controller：

@RestController
public class DemoController {

    @Autowired
    private DemoService demoService;

    @RequestMapping("/demo/test/async")
    public String callServiceMethod() {

        demoService.doSth();
        demoService.doSth();
        demoService.doSth();
        demoService.doSth();
        demoService.doSth();

        return "success";
    }

}

使用异步方法

开启异步功能：

在主启动类使用 @EnableAsync 注解：

// 开启支持异步方法调用功能
@EnableAsync
@SpringBootApplication
public class Application {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }

}

标记异步方法：

在想要异步调用的方法上使用 @Async 注解：

@Service
public class DemoService {

    // 在想要实现异步调用的方法上加 @Async注解
    @Async
    public void doSth() {
        System.out.println("Demo Service " + Thread.currentThread().getName());
    }

}

1.3 线程状态与生命周期

1.3.1 线程状态枚举类

源代码

    public enum State {
        /**
         * Thread state for a thread which has not yet started.
         */
        NEW,

        /**
         * Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable
         * state is executing in the Java virtual machine but it may
         * be waiting for other resources from the operating system
         * such as processor.
         */
        RUNNABLE,

        /**
         * Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
         * A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
         * to enter a synchronized block/method or
         * reenter a synchronized block/method after calling
         * {@link Object#wait() Object.wait}.
         */
        BLOCKED,

        /**
         * Thread state for a waiting thread.
         * A thread is in the waiting state due to calling one of the
         * following methods:
         * <ul>
         *   <li>{@link Object#wait() Object.wait} with no timeout</li>
         *   <li>{@link #join() Thread.join} with no timeout</li>
         *   <li>{@link LockSupport#park() LockSupport.park}</li>
         * </ul>
         *
         * <p>A thread in the waiting state is waiting for another thread to
         * perform a particular action.
         *
         * For example, a thread that has called <tt>Object.wait()</tt>
         * on an object is waiting for another thread to call
         * <tt>Object.notify()</tt> or <tt>Object.notifyAll()</tt> on
         * that object. A thread that has called <tt>Thread.join()</tt>
         * is waiting for a specified thread to terminate.
         */
        WAITING,

        /**
         * Thread state for a waiting thread with a specified waiting time.
         * A thread is in the timed waiting state due to calling one of
         * the following methods with a specified positive waiting time:
         * <ul>
         *   <li>{@link #sleep Thread.sleep}</li>
         *   <li>{@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout</li>
         *   <li>{@link #join(long) Thread.join} with timeout</li>
         *   <li>{@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}</li>
         *   <li>{@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}</li>
         * </ul>
         */
        TIMED_WAITING,

        /**
         * Thread state for a terminated thread.
         * The thread has completed execution.
         */
        TERMINATED;
    }

说明

英文名称	中文名称	含义
NEW	新建	线程对象刚创建
RUNNABLE	就绪	等待 CPU 时间片
RUNNING	运行	得到了 CPU 时间片，正在执行
BLOCKED	阻塞	等待同步锁
WAITING	等待	等待被唤醒
TIMED_WAITING	限时等待	在进入等待状态时设定了等待时间。时间一到自动回到就绪状态
TERMINATED	终止	线程因为代码执行完成或抛异常而停止执行

1.3.2 线程的生命周期

在这里插入图片描述

1.4 线程间通信

在多线程模式下进行工作，除了要考虑各个线程之间是否同步、如何竞争锁等问题，还要考虑这样一个问题：线程之间有的时候需要相互配合来共同完成一件事情。把一个大的任务拆分成多个不同的任务线，每个任务线中都有更小的执行步骤。各个线程之间需要彼此配合：A 线程执行一步唤醒 B 线程，自己等待；B 线程执行一步，唤醒 A 线程，自己等待……

1.4.1 核心语法

`Object` 类的 `wait()` 方法

Causes the current thread to wait until another thread invokes the java.lang.Object#notify() method or the java.lang.Object#notifyAll() method for this object.

wait() 方法会导致当前线程进入等待状态；
必须是另外一个线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法来唤醒；
“for this object” 表示还是要使用 同一个对象 分别调用 wait()、notify()、notifyAll() 这些方法；