12.多线程的实现方式、线程安全问题的产生与解决以及生产者与消费者问题

一、实现多线程

1.1 了解多线程
多线程是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术，具有多线程能力的计算机因有硬件支持而能够在同一时间执行多个线程，从而提升性能。

1.2 并发与并行

并行是指同一时刻，有多个指令在多个CPU上同时执行。

并发是指同一时刻，有多个指令在单个CPU上交替执行。

1.3 进程和线程

**进程：**是指正在运行的程序，比如说360杀毒软件这个程序

**独立性：**进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位。

**动态性：**进程的实质是程序的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的过程。

**并发性：**任何进程都可以同其他进程一起并发执行。

**线程：**是进程中的单个顺序控制流，是一条执行路径（比如说运行中的360杀毒软件是一个进程，那么杀毒软件中的木马查杀、电脑加速、系统修复就是线程）

**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。

1.4实现多线程方式一：继承Thread类【应用】

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

public class MyThread extends Thread {@Overridepublic void run() {for(int i=0; i<100; i++) {System.out.println(i);}}
}
public class MyThreadDemo {public static void main(String[] args) {MyThread my1 = new MyThread();MyThread my2 = new MyThread();//        my1.run();
//        my2.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my1.start();my2.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

1.5 实现多线程方式二：实现Runnable接口

Thread构造方法

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

1.6 实现多线程方式三：实现Callable接口

方法介绍

实现步骤：

代码演示：

三种实现方式对比：

实现Runnable、Callable接口
好处：扩展性强，实现该接口的同时还可以继承其他的类
缺点：编程相对复杂，不能直接使用Thread类中的方法

继承Thread类
好处：编程比较简单，可以直接使用Thread类中的方法
缺点：扩展性较差，不能再继承其他的类

1.7 设置和获取线程名称

方法介绍

代码演示

1.8 线程休眠

方法介绍

代码演示

1.9 线程优先级

线程调度

**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，优先级较高的线程获取的CPU时间片相对较多一些

注：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的时间片，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。

优先级相关方法介绍：

1.10 守护线程

相关方法

代码演示

二、线程同步

2.1卖票【应用】

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
- 票卖没了，线程停止
- 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;//在SellTicket类中重写run()方法实现卖票，代码步骤如下@Overridepublic void run() {while (true) {if(ticket <= 0){//卖完了break;}else{try {Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}ticket--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在卖票,还剩下" + ticket + "张票");}}}
}
public class SellTicketDemo {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【理解】

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,可能在卖票过程中丢失cpu的执行权,导致出现问题

2.3同步代码块解决数据安全问题【应用】

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();@Overridepublic void run() {while (true) {synchronized (obj) { // 对可能有安全问题的代码加锁,多个线程必须使用同一把锁//t1进来后，就会把这段代码给锁起来if (tickets > 0) {try {Thread.sleep(100);//t1休息100毫秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}//窗口1正在出售第100张票System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");tickets--; //tickets = 99;}}//t1出来了，这段代码的锁就被释放了}}
}public class SellTicketDemo {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();}
}

**注意：**通过代码块中的锁对象，是可以使用的任意的对象；但是必须保证多个线程使用的锁对象是同一个。锁对象作用：把同步代码块锁住，只让一个线程在同步代码块中执行。

2.4同步方法解决数据安全问题【应用】

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 MyRunnable implements Runnable {private static int ticketCount = 100;@Overridepublic void run() {while(true){if("窗口一".equals(Thread.currentThread().getName())){//同步方法boolean result = synchronizedMthod();if(result){break;}}if("窗口二".equals(Thread.currentThread().getName())){//同步代码块synchronized (MyRunnable.class){if(ticketCount == 0){break;}else{try {Thread.sleep(10);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}ticketCount--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在卖票,还剩下" + ticketCount + "张票");}}}}}private static synchronized boolean synchronizedMthod() {if(ticketCount == 0){return true;}else{try {Thread.sleep(10);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}ticketCount--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在卖票,还剩下" + ticketCount + "张票");return false;}}
}public class Demo {public static void main(String[] args) {MyRunnable mr = new MyRunnable();Thread t1 = new Thread(mr);Thread t2 = new Thread(mr);t1.setName("窗口一");t2.setName("窗口二");t1.start();t2.start();}
}

**注意：**同步保证了只能有一个线程在同步中执行共享数据，保证了安全，但是程序频繁的判断锁，获取锁，释放锁，程序的效率会降低。

**同步技术的原理：**使用了一个锁对象，这个锁对象叫同步锁，也叫对象锁，也叫对象监视器。
3个线程一起抢夺CPU的执行权，谁抢到了谁执行run方法进行卖票。T0抢到了CPU的执行权，执行run方法，遇到synchronize代码块，这时T0会检查synchronized代码块是否有锁对象，发现有，就会获取到锁对象，进入到同步中执行。

T1抢到了CPU的执行权，执行run方法，遇到synchronized代码块，这时T1会检查synchronized代码块中是否有锁对象。发现没有，T1就会进入到阻塞状态，会一直等待T0线程归还锁对象，一直到T0线程执行完同步中的代码，会把锁对象归还给同步代码块T1才能获取到锁对象进入到同步中执行。

总结：同步中的线程，没有执行完毕不会释放锁，同步外的线程没有锁进不去同步。

2.5Lock锁【应用】

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

public class Ticket implements Runnable {//票的数量private int ticket = 100;private Object obj = new Object();private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();@Overridepublic void run() {while (true) {//synchronized (obj){//多个线程必须使用同一把锁.try {lock.lock();if (ticket <= 0) {//卖完了break;} else {Thread.sleep(100);ticket--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在卖票,还剩下" + ticket + "张票");}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}// }}}
}public class Demo {public static void main(String[] args) {Ticket ticket = new Ticket();Thread t1 = new Thread(ticket);Thread t2 = new Thread(ticket);Thread t3 = new Thread(ticket);t1.setName("窗口一");t2.setName("窗口二");t3.setName("窗口三");t1.start();t2.start();t3.start();}
}

2.6死锁【理解】

概述

线程死锁是指由于两个或者多个线程互相持有对方所需要的资源，导致这些线程处于等待状态，无法前往执行
什么情况下会产生死锁
1. 资源有限
2. 同步嵌套

代码演示

public class Demo {public static void main(String[] args) {Object objA = new Object();Object objB = new Object();new Thread(()->{while(true){synchronized (objA){//线程一synchronized (objB){System.out.println("小康同学正在走路");}}}}).start();new Thread(()->{while(true){synchronized (objB){//线程二synchronized (objA){System.out.println("小薇同学正在走路");}}}}).start();}
}

3.生产者消费者

3.1生产者和消费者模式概述【应用】

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

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【应用】

案例需求
- 桌子类(Desk)：定义表示包子数量的变量,定义锁对象变量,定义标记桌子上有无包子的变量
- 生产者类(Cooker)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务
  
  1.判断是否有包子,决定当前线程是否执行
  
  2.如果有包子,就进入等待状态,如果没有包子,继续执行,生产包子
  
  3.生产包子之后,更新桌子上包子状态,唤醒消费者消费包子
- 消费者类(Foodie)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务
  
  1.判断是否有包子,决定当前线程是否执行
  
  2.如果没有包子,就进入等待状态,如果有包子,就消费包子
  
  3.消费包子后,更新桌子上包子状态,唤醒生产者生产包子
- 测试类(Demo)：里面有main方法，main方法中的代码步骤如下
  
  创建生产者线程和消费者线程对象
  
  分别开启两个线程

代码实现

public class Desk {//定义一个标记//true 就表示桌子上有汉堡包的,此时允许吃货执行//false 就表示桌子上没有汉堡包的,此时允许厨师执行public static boolean flag = false;//汉堡包的总数量public static int count = 10;//锁对象public static final Object lock = new Object();
}public class Cooker extends Thread {//    生产者步骤：
//            1，判断桌子上是否有汉堡包
//    如果有就等待，如果没有才生产。
//            2，把汉堡包放在桌子上。
//            3，叫醒等待的消费者开吃。@Overridepublic void run() {while(true){synchronized (Desk.lock){if(Desk.count == 0){break;}else{if(!Desk.flag){//生产System.out.println("厨师正在生产汉堡包");Desk.flag = true;Desk.lock.notifyAll();}else{try {Desk.lock.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}}}
}public class Foodie extends Thread {@Overridepublic void run() {//        1，判断桌子上是否有汉堡包。
//        2，如果没有就等待。
//        3，如果有就开吃
//        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
//                叫醒等待的生产者继续生产
//        汉堡包的总数量减一//套路://1. while(true)死循环//2. synchronized 锁,锁对象要唯一//3. 判断,共享数据是否结束. 结束//4. 判断,共享数据是否结束. 没有结束while(true){synchronized (Desk.lock){if(Desk.count == 0){break;}else{if(Desk.flag){//有System.out.println("吃货在吃汉堡包");Desk.flag = false;Desk.lock.notifyAll();Desk.count--;}else{//没有就等待//使用什么对象当做锁,那么就必须用这个对象去调用等待和唤醒的方法.try {Desk.lock.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}}}
}public class Demo {public static void main(String[] args) {/*消费者步骤：1，判断桌子上是否有汉堡包。2，如果没有就等待。3，如果有就开吃4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了叫醒等待的生产者继续生产汉堡包的总数量减一*//*生产者步骤：1，判断桌子上是否有汉堡包如果有就等待，如果没有才生产。2，把汉堡包放在桌子上。3，叫醒等待的消费者开吃。*/Foodie f = new Foodie();Cooker c = new Cooker();f.start();c.start();}
}

3.3生产者和消费者案例优化【应用】

需求
- 将Desk类中的变量,采用面向对象的方式封装起来
- 生产者和消费者类中构造方法接收Desk类对象,之后在run方法中进行使用
- 创建生产者和消费者线程对象,构造方法中传入Desk类对象
- 开启两个线程

代码实现

public class Desk {//定义一个标记//true 就表示桌子上有汉堡包的,此时允许吃货执行//false 就表示桌子上没有汉堡包的,此时允许厨师执行//public static boolean flag = false;private boolean flag;//汉堡包的总数量//public static int count = 10;//以后我们在使用这种必须有默认值的变量// private int count = 10;private int count;//锁对象//public static final Object lock = new Object();private final Object lock = new Object();public Desk() {this(false,10); // 在空参内部调用带参,对成员变量进行赋值,之后就可以直接使用成员变量了}public Desk(boolean flag, int count) {this.flag = flag;this.count = count;}public boolean isFlag() {return flag;}public void setFlag(boolean flag) {this.flag = flag;}public int getCount() {return count;}public void setCount(int count) {this.count = count;}public Object getLock() {return lock;}@Overridepublic String toString() {return "Desk{" +"flag=" + flag +", count=" + count +", lock=" + lock +'}';}
}public class Cooker extends Thread {private Desk desk;public Cooker(Desk desk) {this.desk = desk;}
//    生产者步骤：
//            1，判断桌子上是否有汉堡包
//    如果有就等待，如果没有才生产。
//            2，把汉堡包放在桌子上。
//            3，叫醒等待的消费者开吃。@Overridepublic void run() {while(true){synchronized (desk.getLock()){if(desk.getCount() == 0){break;}else{//System.out.println("验证一下是否执行了");if(!desk.isFlag()){//生产System.out.println("厨师正在生产汉堡包");desk.setFlag(true);desk.getLock().notifyAll();}else{try {desk.getLock().wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}}}
}public class Foodie extends Thread {private Desk desk;public Foodie(Desk desk) {this.desk = desk;}@Overridepublic void run() {//        1，判断桌子上是否有汉堡包。
//        2，如果没有就等待。
//        3，如果有就开吃
//        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
//                叫醒等待的生产者继续生产
//        汉堡包的总数量减一//套路://1. while(true)死循环//2. synchronized 锁,锁对象要唯一//3. 判断,共享数据是否结束. 结束//4. 判断,共享数据是否结束. 没有结束while(true){synchronized (desk.getLock()){if(desk.getCount() == 0){break;}else{//System.out.println("验证一下是否执行了");if(desk.isFlag()){//有System.out.println("吃货在吃汉堡包");desk.setFlag(false);desk.getLock().notifyAll();desk.setCount(desk.getCount() - 1);}else{//没有就等待//使用什么对象当做锁,那么就必须用这个对象去调用等待和唤醒的方法.try {desk.getLock().wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}}}
}public class Demo {public static void main(String[] args) {/*消费者步骤：1，判断桌子上是否有汉堡包。2，如果没有就等待。3，如果有就开吃4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了叫醒等待的生产者继续生产汉堡包的总数量减一*//*生产者步骤：1，判断桌子上是否有汉堡包如果有就等待，如果没有才生产。2，把汉堡包放在桌子上。3，叫醒等待的消费者开吃。*/Desk desk = new Desk();Foodie f = new Foodie(desk);Cooker c = new Cooker(desk);f.start();c.start();}
}

3.4阻塞队列基本使用【理解】

阻塞队列继承结构

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-IS48pwOv-1625921474554)(.\img\06_阻塞队列继承结构.png)]
常见BlockingQueue:

ArrayBlockingQueue: 底层是数组,有界

LinkedBlockingQueue: 底层是链表,无界.但不是真正的无界,最大为int的最大值
BlockingQueue的核心方法:

put(anObject): 将参数放入队列,如果放不进去会阻塞

take(): 取出第一个数据,取不到会阻塞

代码示例

public class Demo02 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 创建阻塞队列的对象,容量为 1ArrayBlockingQueue<String> arrayBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(1);// 存储元素arrayBlockingQueue.put("汉堡包");// 取元素System.out.println(arrayBlockingQueue.take());System.out.println(arrayBlockingQueue.take()); // 取不到会阻塞System.out.println("程序结束了");}
}

3.5阻塞队列实现等待唤醒机制【理解】

案例需求
- 生产者类(Cooker)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务
  
  1.构造方法中接收一个阻塞队列对象
  
  2.在run方法中循环向阻塞队列中添加包子
  
  3.打印添加结果
- 消费者类(Foodie)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务
  
  1.构造方法中接收一个阻塞队列对象
  
  2.在run方法中循环获取阻塞队列中的包子
  
  3.打印获取结果
- 测试类(Demo)：里面有main方法，main方法中的代码步骤如下
  
  创建阻塞队列对象
  
  创建生产者线程和消费者线程对象,构造方法中传入阻塞队列对象
  
  分别开启两个线程

代码实现

public class Cooker extends Thread {private ArrayBlockingQueue<String> bd;public Cooker(ArrayBlockingQueue<String> bd) {this.bd = bd;}
//    生产者步骤：
//            1，判断桌子上是否有汉堡包
//    如果有就等待，如果没有才生产。
//            2，把汉堡包放在桌子上。
//            3，叫醒等待的消费者开吃。@Overridepublic void run() {while (true) {try {bd.put("汉堡包");System.out.println("厨师放入一个汉堡包");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class Foodie extends Thread {private ArrayBlockingQueue<String> bd;public Foodie(ArrayBlockingQueue<String> bd) {this.bd = bd;}@Overridepublic void run() {//        1，判断桌子上是否有汉堡包。
//        2，如果没有就等待。
//        3，如果有就开吃
//        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
//                叫醒等待的生产者继续生产
//        汉堡包的总数量减一//套路://1. while(true)死循环//2. synchronized 锁,锁对象要唯一//3. 判断,共享数据是否结束. 结束//4. 判断,共享数据是否结束. 没有结束while (true) {try {String take = bd.take();System.out.println("吃货将" + take + "拿出来吃了");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class Demo {public static void main(String[] args) {ArrayBlockingQueue<String> bd = new ArrayBlockingQueue<>(1);Foodie f = new Foodie(bd);Cooker c = new Cooker(bd);f.start();c.start();}
}