day19_线程之间的通信&线程池&设计模式
课程目标
1. 【理解】线程通信概念
2. 【理解】等待唤醒机制
3. 【理解】线程池运行原理
4. 【理解】voliate关键字
5. 【掌握】单例设计模式
线程之间通信
什么是线程之间的通信
**概念：**多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。
比如：线程A用来生成包子的，线程B用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。
为什么要处理线程间通信
多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。
如何保证线程间通信有效利用资源
多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时， 避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。
等待唤醒机制
这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。
就是在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将其唤醒（notify()）;在有多个线程进行等待时， 如果需要，可以使用 **notifyAll()**来唤醒所有的等待线程。
wait/notify 就是线程间的一种协作机制。
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等待唤醒中的方法
方法名 说明 public final void wait() 在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待 public final void notify() 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程 public final void notifyAll() 唤醒在此对象监视器上等待的所有线程 wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；例如，餐馆有空位置后，等候就餐最久的顾客最先入座。
notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。
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==注意事项==
哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以她需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。
总结如下：
- 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态；
- 否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态
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wait和notify方法需要注意的细节-
wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用
因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
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wait方法与notify方法是属于Object类的方法的
因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
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wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用
因为：必须要通过锁对象调用这2个方法
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生产者与消费者问题
等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。
就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源：
包子铺线程生产包子，吃货线程消费包子。当包子没有时（包子状态为false），吃货线程等待，包子铺线程生产包子（即包子状态为true），并通知吃货线程（解除吃货的等待状态）,因为已经有包子了，那么包子铺线程进入等待状态。接下来，吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁，那么就执行吃包子动作，包子吃完（包子状态为false），并通知包子铺线程（解除包子铺的等待状态）,吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。
代码演示：
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包子资源类（共同的资源）
public class BaoZi { String pier ; String xianer ; boolean flag = false ;//包子资源 是否存在 包子资源状态 } -
吃货线程类（消费者）
public class ChiHuo extends Thread { private BaoZi bz; public ChiHuo(String name ,BaoZi bz) { super(name); this.bz = bz; } @Override public void run() { while (true){ synchronized (bz){ if(bz.flag == false){//表示没有包子 try { bz.wait();//消费者需要等待 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } //true表示有包子，就消费 System.out.println("消费正在吃："+bz.pier+bz.xianer+" 的包子"); //消费完包子，修改包子的标记为false,表示没有包子 bz.flag = false; //唤醒生产者线程 bz.notify(); } } } } -
包子铺线程类（生产者）
public class BaoZiPu extends Thread { private BaoZi bz; public BaoZiPu(String name ,BaoZi bz) { super(name); this.bz = bz; } @Override public void run() { int count = 0; while (true){ synchronized (bz){ if(bz.flag == true){//true表示包子存在 try { bz.wait();//生产者等一会 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } //没有包子， 生产包子 System.out.println("包子铺开始生产包子了！！"); if(count%2 ==0){ bz.pier ="荞麦皮"; bz.xianer ="荞麦馅"; }else{ bz.pier ="白面皮"; bz.xianer ="黑心馅"; } count++; //生产完修改包子标记为true，表示有包子 bz.flag = true; System.out.println("包子铺开始卖包子了！快来消费吧！"); //唤醒 消费者 bz.notify(); } } } } -
测试类
public class Demo { public static void main(String[] args) { //共有包子资源，同理也是同一把锁 BaoZi bz = new BaoZi(); //生产者线程 BaoZiPu bzp = new BaoZiPu("生产者",bz); //消费者线程 ChiHuo ch = new ChiHuo("消费者",bz); bzp.start(); ch.start(); } } -
打印结果
包子铺开始生产包子了！！ 包子铺开始卖包子了！快来消费吧！ 消费正在吃：荞麦皮荞麦馅 的包子
包子铺开始生产包子了！！ 包子铺开始卖包子了！快来消费吧！ 消费正在吃：白面皮黑心馅 的包子
线程池
线程池思想
我们使用线程的时候就去创建一个线程，这样实现起来非常简便，但是就会有一个问题：
如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。
那么有没有一种办法使得线程可以复用，就是执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务？
在Java中可以通过线程池来达到这样的效果。今天我们就来详细讲解一下Java的线程池。
线程池概念
概念:其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。
由于线程池中有很多操作都是与优化资源相关的，我们在这里就不多赘述。我们通过一张图来了解线程池的工作原理：
==合理利用线程池能够带来三个好处==
降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务。提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。提高线程的可管理性,可以得到复用。可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，防止因为消耗过多的内存，而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存，线程开的越多，消耗的内存也就越大，最后死机)。
线程池的使用
Java里面线程池的顶级接口是java.util.concurrent.Executor，但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池，而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是java.util.concurrent.ExecutorService。
要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在java.util.concurrent.Executors线程工厂类里面提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。官方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。
Executors类中有个创建线程池的方法如下：
| 方法名 | 描述 |
|---|---|
| public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) | 返回线程池对象。(创建的是有界线程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量) |
获取到了一个线程池ExecutorService 对象，那么怎么使用呢，在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下：
线程池中使用步骤
1. 创建线程池对象。
2. 创建Runnable接口子类对象。(task)
3. 提交Runnable接口子类对象。(take task)
4. 关闭线程池(一般不做)。
代码实现
-
Runnable实现类
public class MyRunnable implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("我要一个教练"); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("教练来了： " + Thread.currentThread().getName()); System.out.println("教我游泳,交完后，教练回到了游泳池"); } } -
线程池测试类
public class ThreadPoolDemo { public static void main(String[] args) { // 创建线程池对象，包含2个线程 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2); // 创建Runnable实例对象 MyRunnable r = new MyRunnable(); //自己创建线程对象的方式 // Thread t = new Thread(r); // t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run() // 从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run() service.submit(r); // 再获取个线程对象，调用MyRunnable中的run() service.submit(r); service.submit(r); // 注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。 // 将使用完的线程又归还到了线程池中 // 关闭线程池 //service.shutdown(); } }
voliate关键字
volatile保证线程间变量的可见性，简单地说就是当线程A对变量X进行了修改后，在线程A后面执行的其他线程能看到变量X的变动，更详细地说是要符合以下两个规则：
- ==线程对变量进行修改之后，要立刻回写到主内存。==
- ==线程对变量读取的时候，要从主内存中读，而不是缓存==
各线程的工作内存间彼此独立、互不可见，在线程启动的时候，虚拟机为每个内存分配一块工作内存，不仅包含了线程内部定义的局部变量，也包含了线程所需要使用的共享变量(非线程内构造的对象)的副本，即为了提高执行效率。
volatile是不错的机制，但是volatile不能保证原子性。
原子性是指在一个操作中就是cpu不可以在中途暂停然后再调度，既不被中断操作，要不执行完成，要不就不执行。原子性就是指该操作是不可再分的。
代码演示
/**
* volatile用于保证数据的同步，也就是可见性
*/
public class ThreadPoolDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThread t=new MyThread();
t.start();
//主线程休眠
Thread.sleep(1000);
t.stopMe();
}
}
class MyThread extends Thread{
private volatile boolean stop=false;
public void stopMe(){
stop=true;
}
@Override
public void run() {
int i=0;
while (!stop) {
i++;
}
System.out.println("Stop Thread!");
}
}
使用volatile标识变量，将迫使所有线程均读写主内存中的对应变量，从而使得volatile关键字在多线程间可见。
设计模式
设计模式概述
简单一句话：设计模式就是经验的总结
创建型模式：简单工厂模式，工厂方法模式，抽象工厂模式，建造者模式，原型模式，单例模式。(6个)
结构型模式：外观模式、适配器模式、代理模式、装饰模式、桥接模式、组合模式、享元模式。(7个)
行为型模式：模版方法模式、观察者模式、状态模式、职责链模式、命令模式、访问者模式、策略模式、备忘录模式、迭代器模式、解释器模式。(10个)
什么是单例设计模式
单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
总结一句话：在内存中只存在一个对象
单例模式
单例模式特点
-
1、单例类只能有一个实例。也就是只有一个对象
-
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。 写单例构造方法是要私有的
-
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。 在该方法中，提供一个方法，用于获取该对象
单例设计模式实现前提条件
-
私有构造方法
-
在本类的成员位置,创建出自己类对象
-
提供公共方法,返回创建的对象 ，该方法必须是静态的
单例模式饿汉式
/*
* 单例模式饿汉式
*/
public class Student {
// 构造私有
private Student() {
}
// 自己造一个
// 静态方法只能访问静态成员变量，加静态
// 为了不让外界直接访问修改这个值，加private
private static Student s = new Student();
// 提供公共的访问方式
// 为了保证外界能够直接使用该方法，加静态
public static Student getStudent() {
return s;
}
}
测试
/*
* 单例模式：保证类在内存中只有一个对象。
*
* 如何保证类在内存中只有一个对象呢?
* A：把构造方法私有
* B:在成员位置自己创建一个对象
* C:通过一个公共的方法提供访问
*/
public class StudentDemo {
public static void main(String[] args) {
//没有使用单例设计模式前，其实是多例
// Student s1 = new Student();
// Student s2 = new Student();
// System.out.println(s1 == s2); // false
//使用写好的单例设计模式，对象只有一个
Student s1 = Student.getStudent();
Student s2 = Student.getStudent();
System.out.println(s1 == s2); // true
System.out.println(s1); // null，cn.yanqi _03.Student@175078b
System.out.println(s2);// null，cn.yanqi_03.Student@175078b
}
}
单例模式懒汉式
/*
* 单例模式：
* 饿汉式：类一加载就创建对象
* 懒汉式：用的时候，才去创建对象
*
* 面试题：单例模式的思想是什么?请写一个代码体现。
*
* 开发：饿汉式(是不会出问题的单例模式)
* 面试：懒汉式(可能会出问题的单例模式)
* A:懒加载(延迟加载)
* B:线程安全问题
* a:是否多线程环境 是
* b:是否有共享数据 是
* c:是否有多条语句操作共享数据 是
*/
public class Student {
//1、构造方法私有
private Student() {
}
//2、创建对象，并不是直接给出
private static Student s = null;
//3、对外提供公共的访问方法
public static Student getStudent(){
if(s == null){
s = new Student();
}
return s;
}
}
测试
public class StudentDemo {
public static void main(String[] args) {
Student t1 = Student.getStudent();
Student t2 = Student.getStudent();
System.out.println(t1 == t2);
System.out.println(t1); // cn.yanqi_03.Student@175078b
System.out.println(t2);// cn.yanqi_03.Student@175078b
}
}
单例模式懒汉式安全问题
单例模式懒汉式是一种对象延迟加载，在多线程情况可能会出现多例现象, 要想解决此问题,我们需要加同步代码块,进行解决
public class Student {
//1、构造方法私有
private Student() {
}
//2、创建对象，并不是直接给出
private static Student s = null;
//3、对外提供公共的访问方法
public static Student getStudent(){
if(s == null){
s = new Student();
}
return s;
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Student s1 = Student.getStudent();
System.out.println(s1);
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Student s2 = Student.getStudent();
System.out.println(s2);
}
}).start();
}
多次测试，可以出会出多例情况发现
解决懒汉式安全问题
public class Student {
//1、构造方法私有
private Student() {
}
//2、创建对象，并不是直接给出
private static Student s = null;
//3、对外提供公共的访问方法
// 方式一： 通过synchronized同步方法来解决线程安全问题，效率低
public synchronized static Student getStudent(){
if(s == null){
s = new Student();
}
return s;
}
//=========================================
//方式二 双重检查,效率高
public static Student getStudent() {
if (s == null) {//第一层检查，对象是否为null，确定要创建对，有一个进程
synchronized (Student.class) {
if (s == null) {
s = new Student();
}
}
}
return s;
}
}
public class StudentTest {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Student s1 = Student.getStudent();
System.out.println(s1);
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Student s2 = Student.getStudent();
System.out.println(s2);
}
}).start();
}
}
双层if判断的原因
- 方法中加入同步锁，保证线程安全
- 第二个线程调用方法getStudent()的时候，变量s，已经不是null，被前面的线程new过
- 当已经有对象了，第二个线程没有必要再进入同步了，直接return返回对象即可
简单工厂设计模式
工厂设计模式，属于创建型，用于对象的创建； 简单来说：就是专门生产对象的
public abstract class Animal {
public abstract void eat();
}
public class Cat extends Animal {
@Override
public void eat() {
System.out.println("cat 吃 鱼");
}
}
public class Dog extends Animal {
@Override
public void eat() {
System.out.println("dog 吃 肉");
}
}
/**
* @Desc 工厂设计类，这个类就是专门来生产对象，今后从这个工厂类中可以直接获取类对象
*/
public class AnimalFactory {
private AnimalFactory(){}
public static Dog createDog(){
return new Dog();
}
public static Cat createCat(){
return new Cat();
}
}
/**
* @Auther: yanqi
* @Desc 工厂设计模式： 优点：我可以直接通过工厂来获取对象,集中管理对象
* 缺点：如果要加对象，需要修改工厂类，不便于后期的维护和扩展
*/
public class AnimalTest {
public static void main(String[] args) {
Cat c = new Cat();
c.eat();
Dog d = new Dog();
d.eat();
//有了工厂之后，可以通过工厂来获取类对象
Cat cat = AnimalFactory.createCat();
cat.eat();
Dog dog = AnimalFactory.createDog();
dog.eat();
}
}
模板设计模式
模版方法模式,简称为模板设计模式，它主要思想是：把通用的代码生成一个模板，可以反复的使用
/**
* @Auther: yanqi
* @Desc 生成了一个模板类
*/
public abstract class GetTime {
//需求：请计算出一段代码所运行的时间
public long getTime(){
long start = System.currentTimeMillis();
/*for (int i = 0; i <1000 ; i++) {
System.out.println(i);
}*/
code();
long end = System.currentTimeMillis();
return end - start;
}
public abstract void code();
}
/**
* @Auther: yanqi
* @Desc 用户使用模板类
*/
public class ForDemo extends GetTime {
@Override
public void code() {
for (int i = 0; i <100 ; i++) {
System.out.println(i);
}
}
}
/**
* @Auther: yanqi
* @Desc 测试
*/
public class Test {
public static void main(String[] args) {
GetTime gt = new ForDemo();
System.out.println(gt.getTime()+"毫秒");
}
}
装饰设计模式
装饰设计模式: 增强原有对象的功能
原本有一个对象，但是这个对象的功能不够强，采用装饰设计模式，对原对象中功能进行增强
回想一下我们当时讲的缓冲流，其实就是装饰设计模式
public class Phone {
public void call(){
System.out.println("手机打电话功能！");
}
}
public class SendMsg {
private Phone phone;
public SendMsg( Phone phone){
this.phone = phone;
}
//增强原有手机的功能
public void msg(){
System.out.println("发彩信");
System.out.println("发短信");
phone.call();
}
}
public class Test {
public static void main(String[] args) {
//测试
SendMsg sm = new SendMsg(new Phone());
sm.msg();
/*
发彩信
发短信
手机打电话功能！
*/
}
}
面向对象思想设计原则
单一职责原则
能自己完成的事就不要麻烦别人，把一件事细化细化，只做一件事情
开闭原则 ocp
里氏替换原则
依赖注入原则
接口分离原则
迪米特原则
