学习笔记4：JavaSE & API（网络编程 & 多线程）

标签：Thread System API 线程 println new JavaSE 多线程 out

1、java.net.Socket：

（1）定义：Socket(套接字)封装了TCP协议的通讯细节，是的我们使用它可以与服务端建立网络链接，并通过它获取两个流(一个输入一个输出)，然后使用这两个流的读写操作完成与服务端的数据交互。

（2）方法

getInputStream()：获取输入流，返回值是InputStream的一个子类实例。
getOutputStream()：获取输出流，返回值是OutputStream的一个子类实例。
close()：断开与远端的连接，同时自动关闭通过它获取的输入输出流。
getInetAddress(): 获取地址信息，然后紧接着再通过getHostAddress()获取ip。

2、java.net.ServerSocket：

（1）定义：ServerSocket运行在服务端。

（2）作用：

向系统申请服务端口，客户端的Socket就是通过这个端口与服务端建立连接的。
监听服务端口，一旦一个客户端通过该端口建立连接则会自动创建一个Socket，并通过该Socket与客户端进行数据交互。

（3）方法：

accept()：等待客户端连接。该方法是阻塞方法，等待客户端链接，一旦建立连接，返回一个Socket实例。
close()：关闭

（4）端口占用：申请端口号被使用了，抛出异常: java.net.BindException:address already in use

3、客户端、服务端通信示例（聊天室）

（1）连接与通信过程

建立连接

客户端与服务端完成第一次通讯(发送一行字符串)

（2）聊天室客户端

public class Client {
    private Socket socket;
    public static void main(String[] args) {
        Client client = new Client();
        client.start();
    }
    public Client(){
        try {
            System.out.println("正在连接服务端...");
            socket = new Socket("localhost",8088);
            System.out.println("与服务端建立连接了!");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public void start(){
        try {
            //启动用于读取服务端发送过来消息的线程：避免处理消息，卡住当前线程的执行
            ServerHandler handler = new ServerHandler();
            Thread t = new Thread(handler);
            t.start();
            //通过socket获取的字节输出流，写出的字节会通过网络发送给远端计算机
            OutputStream out = socket.getOutputStream();
            //转换流，字符转字节
            OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(out, StandardCharsets.UTF_8);
            //缓冲流
            BufferedWriter bw = new BufferedWriter(osw);
            //自动行刷新-字符缓冲输出流
            PrintWriter pw = new PrintWriter(bw,true);
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while(true) {
                String line = scanner.nextLine();
                if("exit".equalsIgnoreCase(line)){
                    break;
                }
                pw.println(line);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    //该线程任务负责处理服务端发送过来的消息
    private class ServerHandler implements Runnable{
        public void run(){
            try{
                //通过socket获取输入流读，取服务端发送过来的消息
                InputStream in = socket.getInputStream();
                InputStreamReader isr = new InputStreamReader(in, StandardCharsets.UTF_8);
                BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
                String line;
                //循环读取服务端发送过来的每一行字符串
                while((line = br.readLine())!=null){//readLine方法是阻塞方法，返回如果是null，表示对方close了。
                    System.out.println(line);
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

客户端

（3）聊天室服务端

public class Server {
    private ServerSocket serverSocket;
    private Collection<PrintWriter> allOut = new ArrayList<>();
    public static void main(String[] args) {
        Server server = new Server();
        server.start();
    }
    public Server(){
        try {
            System.out.println("正在启动服务端...");
            serverSocket = new ServerSocket(8088);//可能抛出java.net.BindException:address already in use
            System.out.println("服务端启动完毕!");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public void start(){
        try {
            while(true) {
                System.out.println("等待客户端连接");
                Socket socket = serverSocket.accept();
                System.out.println("一个客户端连接了!");
                //启动一个线程来处理该客户端的交互
                ClientHandler clientHandler = new ClientHandler(socket);
                Thread thread = new Thread(clientHandler);
                thread.start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // 该线程任务是用一个线程来处理一个客户端的交互工作
    private class ClientHandler implements Runnable{
        private Socket socket;
        private String host;//记录远端计算机的地址信息
        public ClientHandler(Socket socket){
            this.socket = socket;
            host = socket.getInetAddress().getHostAddress();
        }
        public void run(){
            PrintWriter pw = null;
            try {
                //通过socket获取输入流读取对方发送过来的消息
                InputStream in = socket.getInputStream();
                InputStreamReader isr = new InputStreamReader(in, StandardCharsets.UTF_8);
                BufferedReader br = new BufferedReader(isr);

                //通过socket获取输出流用于给对方发送消息
                OutputStream out = socket.getOutputStream();
                OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(out, StandardCharsets.UTF_8);
                BufferedWriter bw = new BufferedWriter(osw);
                pw = new PrintWriter(bw,true);

                //将该输出流存入共享数组allOut中
                synchronized (Server.this) {//加锁，并且使用外部类对象加锁
                    allOut.add(pw);
                }

                //通知所有客户端，该用户上线了!
                sendMessage(host+"上线了，当前在线人数:"+allOut.size());
                String line;
                /*
                    这里的BufferedReader读取时，底下连接的流是通过Socket获取的输入流，当远端计算机还处于连接状态，
                    但是暂时没有发送内容时，readLine方法会处于阻塞状态，直到对方发送过来一行字符串为止。
                    如果返回值为null，则表示对方断开了连接(对方调用了socket.close())。
                    对于windows的客户端而言(Mac不会)，如果是强行杀死的进程，服务端这里readLine方法
                    会抛出下面异常: java.net.SocketException: connection reset
                    服务端无法避免这个异常。
                 */
                while ((line = br.readLine()) != null) {
                    //将读取到的内容，广播给所有客户端
                    sendMessage(host+"说:" + line);
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }finally {
                //处理客户端断开连接后的操作
                synchronized (Server.this) {
                    allOut.remove(pw);
                }
                //通知所有客户端，该用户下线了!
                sendMessage(host+"下线了，当前在线人数:"+allOut.size());
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        //将消息群发给所有客户端(广播)
        private void sendMessage(String line){
            synchronized (Server.this) {
                System.out.println(line);
                //遍历allOut数组，将消息发送给所有客户端
                for (PrintWriter pw : allOut) {
                    pw.println(line);
                }
            }
        }
    }
}

服务端

4、多线程定义

（1）线程：一个顺序的单一的程序执行流程就是一个线程。代码一句一句的有先后顺序的执行。

（2）多线程：多个单一顺序执行的流程并发运行。造成"感官上同时运行"的效果。

（3）并发：线程调度程序会将CPU运行时间划分为若干个时间片段并尽可能均匀的分配给每个线程，拿到时间片的线程被CPU执行这段时间。当超时后线程调度程序会再次分配一个时间片段给一个线程使得CPU执行它，如此反复。

（4）用途:

当出现多个代码片段执行顺序有冲突时，希望它们各干各的时就应当放在不同线程上"同时"运行
一个线程可以运行，但是多个线程可以更快时，可以使用多线程运行

（5）线程的生命周期

5、创建线程

（1）主线程：执行main方法的线程称为"主线程"。

（2）方式一：定义一个类继承Thread并重写run方法，在其中定义线程要执行的任务。启动线程调用start()。

优点：结构简单，便于匿名内部类形式创建
缺点：
- 直接继承线程，会导致不能在继承其他类去复用方法，这在实际开发中是非常不便的。
- 定义线程的同时重写了run方法，会导致线程与线程任务绑定在了一起（强耦合），不利于线程的重用。

示例：

public class My {
    public static void main(String[] args){
        //创建两个线程
        Thread t1 = new MyThread1();
        Thread t2 = new MyThread2();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
class MyThread1 extends Thread{
    public void run(){
        for (int i=0;i<100;i++){
            System.out.println("执行任务一");
        }
    }
}
class MyThread2 extends Thread{
    public void run(){
        for (int i=0;i<100;i++){
            System.out.println("执行任务二");
        }
    }
}

（3）方式二：实现Runnable接口单独定义线程任务，再用任务实例化线程对象。

优点：任务和线程实现解耦
示例：

public class My {
    public static void main(String[] args){
        //实例化任务
        Runnable r1 = new MyRunnable1();
        Runnable r2 = new MyRunnable2();
        //创建线程并指派任务
        Thread t1 = new Thread(r1);
        Thread t2 = new Thread(r2);

        t1.start();
        t2.start();
    }
}
class MyRunnable1 implements Runnable{
    public void run() {
        for (int i=0;i<100;i++){
            System.out.println("执行任务一");
        }
    }
}
class MyRunnable2 implements Runnable{
    public void run() {
        for (int i=0;i<100;i++){
            System.out.println("执行任务二");
        }
    }
}

匿名内部类实现

public class My {
    public static void main(String[] args) {
        //方式一创建线程，方便使用匿名内部类
        Thread t1 = new Thread(){
            public void run(){
                for(int i=0;i<1000;i++){
                    System.out.println("执行任务一");
                }
            }
        };
        //方式二创建线程，任务和线程解耦
        Runnable r2 = ()->{
            for(int i=0;i<1000;i++){
                System.out.println("执行任务二");
            }
        };
        Thread t2 = new Thread(r2);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

6、线程常用方法

（1）Thread.currentThread()：静态方法，获取“执行当前方法”的线程。

（2）getName()：获取线程的名字

（3）getId()：获取该线程的唯一标识

（4）getPriority()：获取该线程的优先级

（5）isAlive()：该线程是否活着

（6）isDaemon()：是否为守护线程

（7）isInterrupted()：是否被中断

（8）Thead.sleep()：静态方法，阻塞线程，超时后线程会自动回到RUNNABLE状态等待再次获取时间片并发运行。

（9）interrupt()：当一个线程调用sleep方法处于睡眠阻塞的过程中，interrupt()被调用时，sleep方法会抛出该异常InterruptedException，从而打断睡眠阻塞。

7、线程优先级

（1）时间片：线程start后会纳入到线程调度器中统一管理，线程只能被动的被分配时间片并发运行，而无法主动索取时间片。线程调度器尽可能均匀的将时间片分配给每个线程。

（2）优先级：线程有10个优先级,使用整数1-10表示

1为最小优先级，10为最高优先级。5为默认值
调整线程的优先级可以最大程度的干涉获取时间片的几率。优先级越高的线程获取时间片的次数越多，反之则越少。

（3）设置优先级：

setPriority(Thread.MIN_PRIORITY)：MIN_PRIORITY、NORM_PRIORITY、MAX_PRIORITY是常量

8、守护线程

（1）定义：守护线程也称为后台线程，就是一个普通线程，但是会随着进程结束时自动结束。

（2）特点：

设置：守护线程是通过普通线程调用setDaemon(boolean on)方法设置而来的，因此创建上与普通线程无异。
结束：守护线程的结束时机与普通线程不同，即：进程的结束。
进程结束：当一个进程中的所有普通线程都结束时，进程就会结束，此时会杀掉所有正在运行的守护线程。
场景：不关心某个线程什么时候停下来，但是当程序结束时自动结束，可以设置为守护线程，比如，GC垃圾回收。

（3）方法：

setDaemon()：将一条进程设置成守护进程，注意，但必须在start方法之前调用。

9、线程安全问题

（1）问题：当多个线程并发操作同一临界资源，由于线程切换时机不确定，导致操作临界资源的顺序出现混乱严重时可能导致系统瘫痪。

（2）临界资源：操作该资源的全过程同时只能被单个线程完成。

（3）解决：使用synchronized 加锁。

10、synchronized

（1）使用方法

同步方法：在方法上修饰，此时该方法变为一个同步方法。
同步块：可以更准确的锁定需要排队的代码片段

（2）同步块：

语法

/*
    同步块使用时需要指定一个同步监视器对象，即:上锁的对象。该对象从语法的角度来讲可以是任意引用类型的实例。
    但是必须同时满足多个需要同步(排队)执行该代码片段的线程看到的是同一个对象才可以!
*/
synchronized (this) {
    Thread.sleep(5000);
    System.out.println("同步执行的任务");
}

同步监视器对象：上锁的对象，要想保证同步块中的代码被多个线程同步运行，则要求多个线程看到的同步监视器对象是同一个，可以是java中任何引用类型的实例。一般用当前对象this即可。

（3）同步方法：

语法

    public synchronized void method() throws InterruptedException {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":正在执行A方法");
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":执行A方法完毕");
    }

锁对象：同步方法也有同步监视器对象，“锁”的是this。静态方法，锁的是类对象this。

（4）静态方法：

静态方法加上synchronized，该方法是一个同步方法，由于静态方法所属类，所以一定具有同步效果。
锁对象：静态方法使用的同步监视器对象为当前类的类对象(Class的实例)。JVM在加载一个类时，会同时实例化一个Class实例与之对应，因此每个被加载的类都有且只有一个Class实例，而这个实例就称为这个加载类的类对象。

（5）互斥锁：

定义：当多个线程执行不同的代码片段，但是这些代码片段之间不能同时运行时就要设置为互斥的。
实现：使用synchronized锁定多个代码片段，并且指定的同步监视器是同一个时，这些代码片段之间就是互斥的。
示例

public class MySyncDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Foo foo = new Foo();
        Thread t1 = new Thread(){
            public void run(){
                foo.methodA();
            }
        };
        Thread t2 = new Thread(){
            public void run(){
                foo.methodB();
            }
        };
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
class Foo{
    public synchronized void methodA(){
        Thread t = Thread.currentThread();
        try {
            System.out.println(t.getName()+":正在执行A方法...");
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println(t.getName()+":执行A方法完毕!");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public synchronized void methodB(){
        Thread t = Thread.currentThread();
        try {
            System.out.println(t.getName()+":正在执行B方法...");
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println(t.getName()+":执行B方法完毕!");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

（6）死锁

产生：两个线程各自持有一个锁对象的同时等待对方先释放锁对象，此时会出现僵持状态。

    //定义两个锁对象，"筷子"和"勺"
    public static Object chopsticks = new Object();
    public static Object spoon = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread np = new Thread(() -> {
            System.out.println("北方人开始吃饭.");
            System.out.println("北方人去拿筷子...");
            synchronized (chopsticks){//锁住了筷子
                System.out.println("北方人拿起了筷子开始吃饭...");
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                System.out.println("北方人吃完了饭，去拿勺...");
                //去拿勺子（此时自己拿着筷子），发现勺子被锁住了，等待勺子释放；但是勺子释放的前提，是自己先放下筷子给对方用，死锁了。
                synchronized (spoon){
                    System.out.println("北方人拿起了勺子开始喝汤...");
                    try {
                        Thread.sleep(5000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    System.out.println("北方人喝完了汤");
                }
                System.out.println("北方人放下了勺");
            }
            System.out.println("北方人放下了筷子，吃饭完毕!");
        });
        
        Thread sp = new Thread(() -> {
            System.out.println("南方人开始吃饭.");
            System.out.println("南方人去拿勺...");
            synchronized (spoon){//锁住了勺子
                System.out.println("南方人拿起了勺开始喝汤...");
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                System.out.println("南方人喝完了汤，去拿筷子...");
                //去拿筷子（此时自己拿着勺子），发现筷子被锁住了，等待筷子释放；但是筷子释放的前提，是自己先放下勺子给对方用，死锁了。
                synchronized (chopsticks){
                    System.out.println("南方人拿起了筷子开始吃饭...");
                    try {
                        Thread.sleep(5000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    System.out.println("南方人吃完了饭");
                }
                System.out.println("南方人放下了筷子");
            }
            System.out.println("南方人放下了勺，吃饭完毕!");
        });
        np.start();
        sp.start();
    }

解决死锁：
- 尽量避免在持有一个锁的同时去等待持有另一个锁(避免synchronized嵌套)。
- 当无法避免synchronized嵌套时，就必须保证多个线程锁对象的持有顺序必须一致。即:A线程在持有锁1的过程中去持有锁2时,B线程也要以这样的持有顺序进行。

标签：Thread,System,API,线程,println,new,JavaSE,多线程,out
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