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并发编程基础

时间：2024-08-18 20:37:52浏览次数：10  
标签：Thread 编程 基础 System 并发 线程 println new out

并发编程基础

什么是线程

进程是操作系统中的一个实体，是操作系统资源分配的基本单位，在Java中，一个进程必然至少有一个线程，这个线程被称为主线程。进程下的多个线程共享进程的资源。
操作系统分配CPU资源是以进程下的线程为基本单位而分配的，因为线程才是主要执行任务的。
undefined。每个线程都有一个相对应的栈区，用于存储当前线程所用到的局部变量，以及线程内函数调用的栈帧数据。
如下图所示，我们的一个main方法，输出HelloWorld会创建以下几个线程:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();

        ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false);
        for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
            System.out.println(threadInfo.getThreadId() + "\t" + threadInfo.getThreadName());
        }
    }
}

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一个CPU核心只能同时运行一个线程，但是在现代CPU中由于使用了超线程技术，使得可以将一个物理核心拆成两个逻辑核心来使用，也就是一个逻辑核心可以使用一个线程。
如下图所示内核中标识的就是我们的物理核心数，而逻辑核心数则是20个。
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在Java中，如果想要获取计算机系统中的逻辑核心数可以使用Runtime类中的availableProcessors方法获取到，如下代码所示:


public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        int i = runtime.availableProcessors();
        System.out.println(i);
    }
}

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上下文切换

线程的创建

继承Thread

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Hello world");
    }
}
public class Main {

    private static void isCompletedByTaskCount(ThreadPoolExecutor threadPool) {
        while (threadPool.getTaskCount() != threadPool.getCompletedTaskCount()) {
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.start();
    }
}

通过继承Thread类并重写run方法的方式来实现线程类的创建，在run方法中编写具体的业务代码。在main方法中创建线程对象并调用start方法就可以将线程执行起来。调用start方法之后线程处于就绪状态，如果CPU为线程分配了时间片，线程才会进行之后执行，执行完毕之后线程处于终止状态。
优点是是如果想要在run方法中获取当前线程的话，无需调用Thread.currentThread()来获取线程，直接使用this关键字就可以获取当前线程。
缺点是线程业务代码与线程耦合度较高且无非继承其他类，如果其他的业务功能需要多线程，需要重新继承Thread并重写run方法。

实现runnable

Java虽然不能不能对类进行多继承，但是可以继承多个接口。Runnable接口可以优化继承Thread无法继承其他类的，与Thread类似，在run方法中编写业务代码，然后新建一个Thread对象，并调用start方法即可，两个线程可以同时引用同一个Runnable来完成业务功能。

class MyThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Hello world");
        System.out.println(this);
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();;
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        thread1.start();;
    }
}

futureTask

通过futureTask创建的线程可以获取线程执行后的回调数据，如下所示，定义了一个task，返回值类型为string，执行线程调用后调用FutureTask.get()方法可以获取线程的执行结果。

class CallerTask implements Callable<String> {

    @Override
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("call me");

        return "test";
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask<String> stringFutureTask = new FutureTask<>(new CallerTask());
        new Thread(stringFutureTask).start();
        String s = stringFutureTask.get();
        System.out.println(s);
    }
}

总结

  • 继承Thread的方式可以很方便的在类中定义成员变量并使用set方法对成员变量进行设置，并在执行多线程中使用。缺点是无法实现多线程且业务代码与线程耦合严重。
  • 使用Runnable的好处是，解决了Thread无法继承的问题。缺点是大多数使用Runnable的时候是只能new Thread(() -> {})， 这种lambda表达式的方式创建对象使得匿名对象无法引用外部的非final的成员变量。如果使用实现runnable接口的方式的话就与继承Thread方式类似了。
  • 前两种创建线程的方式都无法获取到线程的回调结果，而futureTask可以获取线程的回调。

线程通知与等待

wait

监视器锁: 每个对象都有一个当线程进入被synchronized修饰的语句块，得先获取当前对象的监视器锁才能继续执行，否则一直会被阻塞。
如下所示, 以下狱中中三个线程，只有获取到a的线程锁才能执行synchronized语句内容，a的监视器锁只有一个，所以这三个线程执行是互斥的，只有一个线程执行完毕，其他线程才能继续执行。

        Integer a = 100;

        new Thread(() -> {
            synchronized (a) {
                System.out.println("thread a");
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (a) {
                System.out.println("thread b");
            }
        }).start();
        
        new Thread(() -> {
            synchronized (a) {
                System.out.println("thread c");
            }
        }).start();

只有获取到监视器锁才能调用wait方法，否则会抛出异常，在调用线程中的使用的共享变量的wait()方法时，这个线程就会被挂起，如下代码所示


        new Thread(() -> {
            synchronized (a) {
                System.out.println("Hello world");
                try {
                    a.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }).start();

只有在其他线程中调用共享变量的notify或notifyAll方法才能唤醒线程继续执行。

        Integer a = 100;

        new Thread(() -> {
            synchronized (a) {
                System.out.println("Hello world");
                try {
                    a.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (a) {
                a.notifyAll();
            }
        }).start();

或是直接调用线程的interrupt方法直接抛出异常也会使线程中断，解除阻塞，继续往下执行。

        Integer a = 100;

        Thread thread = new Thread(() -> {
            synchronized (a) {
                System.out.println("Hello world");
                try {
                    a.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });

        thread.start();


        thread.interrupt();

需要注意的是, 有时会出现虚假唤醒的问题，虚假唤醒就是没有被唤醒，但是无缘无故被唤醒了，为了解决这个问题，我们需要循环使线程一直wait(), 等满足条件之后再由其他线程进行唤醒操作。

synchronized(a) {
    while (xxx == ture) {
        a.wait();
    }
}

如下代码所示，创建两个线程，分别是消费者和生产者，如果队列满了生产者会挂起当前线程，如果队列空了消费者会挂起当前线程。

        Queue<String> queue = new ArrayDeque<>();

        AtomicInteger i = new AtomicInteger();

        // 生产者线程
        new Thread(() -> {
            synchronized (queue) {
                while (true) {
                    // 如果队列满了则阻塞该线程
                    while (queue.size() >= 50) {
                        try {
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                    i.getAndIncrement();
                    queue.add(i.get() + "");
                    System.out.println("生产者生产数据");
                    // 如果未满则释放监视器锁供其他线程使用
                    queue.notify();
                }
            }

        }).start();

        // 消费者线程
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                // 获取贡献变量queue的监视器锁
                synchronized (queue) {
                    // 如果队列为空则阻塞该线程
                    while (queue.isEmpty()) {
                        try {
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                    // 如果线程不为空则释放共享变量的监视器锁
                    queue.notify();
                    String poll = queue.poll();
                    System.out.println("消费者消费数据," + poll);
                }
            }
        }).start();

调用共享变量的wait方法只会释放当前当前变量的锁，其他变量的锁则依旧保留，如下所示，线程A中拿到了资源A和资源B的锁，只会调用资源A的wait方法释放了资源A的锁，资源B的锁并未释放，所以线程B获取资源B的锁会一直阻塞。

    private static volatile Object resourceA = new Object();
    private static volatile Object resourceB = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            // 获取资源A的锁
            synchronized (resourceA) {
                System.out.println("thread get A lock.");
                synchronized (resourceB) {
                    System.out.println("thread get B lock");
                    try {
                        // 释放资源A的锁 但未释放资源B的锁
                        resourceA.wait();
                        System.out.println("thread B relase A lock");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            // 休眠一秒 避免线程2先执行
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // 由于资源B的锁未释放，所以进入不到语句中
            synchronized (resourceB) {
                System.out.println("get B lock");
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
    }

如果直接调用interrupt来打断等待状态的线程则会抛异常并直接返回。

    private static volatile Object resourceA = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println("begin");
            synchronized (resourceA) {
                try {
                    resourceA.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("end");
            }
        });

        thread.start();

        thread.interrupt();
    }

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notify

唤醒调用共享变量的wait方法的线程，由于一个共享变量可以被多个线程引用，所以具体唤醒哪个线程，这个是随机的。调用notify方法的前提是，获取到该贡献变量的监视器锁。被唤醒的线程也不一定立即能执行，首先得等调用notify方法的线程释放锁，其次得和其他使用到共享变量锁的线程竞争成功才可以执行。

notifyAll

唤醒所有被共享变量等待的线程，如下所示线程1和线程2获取到资源A的锁之后进行等待，在线程3中将线程1和线程2全部唤醒。

    private static volatile Object resourceA = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (resourceA) {
                try {
                    System.out.println("get a lock begin");
                    resourceA.wait();
                    System.out.println("get a lock end");
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (resourceA) {
                try {
                    System.out.println("get b lock begin");
                    resourceA.wait();
                    System.out.println("get b lock end");
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });

        Thread t3 = new Thread(() -> {
            synchronized (resourceA) {
                resourceA.notifyAll();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        Thread.sleep(1000);
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

    }

join

如果调用了线程的join方法，那么将会阻塞，等待线程执行完毕才会继续向下执行，如下代码所示，三个线程都调用了join方法，等待三个线程执行完毕才会输出最后一句。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("线程1");
        });


        Thread t2 = new Thread(() -> {
            System.out.println("线程2");
        });


        Thread t3 = new Thread(() -> {
            System.out.println("线程3");
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println("joined");
    }

线程停止

  1. 业务代码执行完成
  2. 业务代码出现异常
  3. 调用中断方法
    调用中断方法时，通知线程当前线程要中断，具体是否中断，还要看实际情况，不是一点会发生中断。为了避免直接调用stop方法引发的一系列问题，那么可以使用线程中断来保证线程可以正常停止。
    当线程需要停止时，调用线程的interrupt方法发送中断信号，将中断标志位设置成ture;当中断业务操作执行完成时调用,如下代码所示，在main方法中调用调用t1线程的中断方法，然后在具体的业务处理中判断当前线程是否发生中断，如果发生中断则进行业务处理，可以在业务处理中将线程获取的资源释放掉，这样就解决了直接stop无法释放资源的问题了。
package com.lyra;

import javax.imageio.plugins.tiff.TIFFImageReadParam;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
import java.util.concurrent.RunnableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            // 系统业务代码
            System.out.println("Hello world");

            // 获取当前线程
            Thread thread = Thread.currentThread();
            while (!thread.isInterrupted()) {
                System.out.println(thread.getName() + "\t" + thread.isInterrupted());
            }
            // 处理中断 关闭资源等等
            System.out.println(thread.getName() + "\t" + thread.isInterrupted());

        });

        t1.start();

        try {
            Thread.sleep(2000L);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

        t1.interrupt();
    }
}

需要注意的是，不建议使用取消标志位来中止线程，如下代码所示，在线程类中有个cancel方法，当cancel为true就表示发生中断了，然后可以进行业务处理，但是这种方法如果在线程中sleep的话，没办法感知到，只能等待线程下次唤醒才能处理中断，这样的中断不及时。

package com.lyra;

import javax.imageio.plugins.tiff.TIFFImageReadParam;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
import java.util.concurrent.RunnableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable helloWorld = new Runnable() {
            public void setCancel(Boolean cancel) {
                this.cancel = cancel;
            }

            public Boolean getCancel() {
                return cancel;
            }

            private Boolean cancel = true;

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("Hello World");
                try {
                    Thread.sleep(2000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                while (cancel) {
                    System.out.println("处理异常");
                    cancel = false;
                }
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(helloWorld);

        t1.start();



    }
}

而使用interrupt方法时，如果线程中中断了且睡眠了，则会直接幻想抛出异常，这样就保证了异常中断的及时处理。

package com.lyra;

import javax.imageio.plugins.tiff.TIFFImageReadParam;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
import java.util.concurrent.RunnableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable helloWorld = new Runnable() {
            public void setCancel(Boolean cancel) {
                this.cancel = cancel;
            }

            public Boolean getCancel() {
                return cancel;
            }

            private Boolean cancel;

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("Hello World");
                Thread thread = Thread.currentThread();
                try {
                    Thread.sleep(1000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                while (!thread.isInterrupted()) {
                    System.out.println(thread.getName() + "\t" + thread.isInterrupted());
                }
                System.out.println(thread.getName() + "\t" + thread.isInterrupted());
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(helloWorld);

        t1.start();

        t1.interrupt();
    }
}

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  1. 手动停止线程
    线程类提供了stop对象，但是已经过时了。
    过期原因官方文档: https://docs.oracle.com/en%2Fjava%2Fjavase%2F11%2Fdocs%2Fapi%2F%2F/java.base/java/lang/doc-files/threadPrimitiveDeprecation.html
    当执行stop方法后，操作系统会将线程进行中止，如果占用的资源未被释放则会导致资源异常。所以方法就被弃用了。

标签：Thread,编程,基础,System,并发,线程,println,new,out
From： https://www.cnblogs.com/lyraHeartstrings/p/17863240.html

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