基本概念（程序、进程、线程）

程序（program）

是为了完成特定任务、某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象

进程（process）

是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是一个动态的过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程。 ——生命周期

如：运行中的QQ、运行中的MP3播放器 程序是静态的、进程是动态的 进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域

线程（thread）

进程可进一步的细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径

若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的 线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器（pc），线程切换的开销小、 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间——>它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患

单核CPU和多核CPU的理解

单核CPU，其实是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务
如果是多核的话，才能更好的发挥多线程的效率（现在的服务器都是多核的）
一个Java应用程序java.exe，其实至少有三个线程：main() 主线程、gc() 垃圾回收线程、异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。

并行和并发

并行：多个CPU同时执行多个任务。比如：多个人同时做不同的事
并发：一个CPU（采用时间片）同时执行多个任务。比如：秒杀、多个人做同一件事

多线程的优点

  1.   1. 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验
  2.   1. 提高计算机系统CPU的利用率
  3.   1. 改善程序结构。将即长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改

何时需要多线程

  1.   - 程序需要同时执行两个或以上的任务
  2.   - 程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等
  3.   - 需要一些后台运行的程序时

线程的创建和使用

Java语言的JVM允许程序运行多个线程，它通过java.lang.Thread类来体现

Thread类的特性

  1.   - 每个线程都是通过某个特定Thread对象的 run() 方法来完成操作的，经常把 run() 方法的主体称为线程体
  2.   - 通过该Thread对象的 start() 方法来启动这个线程，而非直接调用 run()

Thread类的有关方法

  1.   1. start()：启动线程，并执行对象的run()方法
  2.   1. run()：通常需要重写Thread类中的此方法，将创建的线程要执行的操作声明在此方法中
  3.   1. currentThread()：静态方法，返回执行当前代码的线程
  4.   1. getName()：获取当前线程的名称
  5.   1. setName()：设置当前线程的名称
  6.   1. yield()：释放当前CPU的执行权。有可能在下一刻又分配给你
  7.   1. join()：在线程A中调用线程B的join方法，此时线程A就进入阻塞状态，直到线程B完全执行完以后，线程A才会结束阻塞状态
  8.   1. stop()：（已过时）强制线程生命期结束
  9.   1. sleep(long millitime)：让当前线程"睡眠"指定的millitime毫秒数。在指定的millitime毫秒时间内，当前线程是阻塞状态
  10.   1. isAlive()：判断当前线程是否存活

例：ThreadThread.java

补充
线程通信：wait() 、notify() 、notifyAll()，此三个方法定义在Object类中

线程的调度

调度策略
时间片：按照时间来分配多个线程（给你用一会儿，给我用一会儿）
抢占式：高优先级的线程抢占CPU
Java的调度方法
同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用时间片策略
对高优先级，使用优先调度的抢占式策略

线程的优先级

线程的优先级等级
MAX_PRIORITY：10
MIN_PRIORITY：1
NORM_PRIORITY：5
涉及的方法
getPriority()：返回线程优先级
setPriority(int newPriority)：改变线程的优先级
说明
线程创建时继承父线程的优先级
低优先级只是获得调度的概率低，并非一定是在高优先级线程之后才被调用

线程的分类

Java中的线程分为两类：守护线程、用户线程

  1.   - 他们在几乎每个方面都是相同的，唯一的区别是判断JVM何时离开
  2.   - 守护线程是用来服务用户线程的，通过在start() 方法前调用 thread.setDaemon(true) 可以把一个用户线程变成一个守护线程
  3.   - Java垃圾回收就是一个典型的守护线程
  4.   - 若JVM中都是守护线程，当前JVM将推出

方式一：继承于Thread类

  1.   1. 创建一个继承于Thread类的子类
  2.   1. 重写Thread类的run()方法 --> 将此线程执行的操作声明在run()中
  3.   1. 创建Thread类的子类的对象
  4.   1. 通过此对象调用Thread类的start()方法
  1. /**
  2.  * 创建多线程的方式一: 继承于Thread类
  3.  * 1.创建一个继承于Thread类的子类
  4.  * 2.重写Thread类的run()方法 --> 将此线程执行的操作声明在run()中
  5.  * 3.创建Thread类的子类的对象
  6.  * 4.通过此对象调用Thread类的start()方法
  7.  * 例子：遍历100以内所有的偶数
  8.  *
  9.  * @author : Yuki Judai 2022/3/8 11:40
  10.  */
  11. public class ThreadTestOne {
  12.     public static void main(String[] args) {
  13.         //3.创建Thread类的子类的对象
  14.         MyThread myThread = new MyThread();
  16.         /*
  17.          * 4.通过此对象调用Thread类的start()方法
  18.          *
  19.          * start()：①启动当前线程 ② 调用当前线程的run()
  20.          */
  21.         myThread.start();
  23.         //问题一：我们不能通过直接调用run()的方式启动线程
  24. //        myThread.run();
  25.         //问题二：再启动一个线程，遍历100以内的偶数。不可以还让已经start（）的线程去执行，会报 IllegalThreadStateException 异常
  26.         //创建Thread的匿名子类的方式
  27.         new Thread() {
  28.             @Override
  29.             public void run() {
  30.                 for (int i = 0; i < 100; i++) {
  31.                     if (i % 2 != 0) {
  32.                         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
  33.                     }
  34.                 }
  35.             }
  36.         };
  39.         //如下操作仍然是在main线程中执行的
  40.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
  41.             if (i % 2 == 0) {
  42.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
  43.             }
  44.         }
  45.     }
  46. }
  48. //1.创建一个继承于Thread类的子类
  49. class MyThread extends Thread {
  51.     //2.重写Thread类的run()方法 --> 将此线程执行的操作声明在run()中
  52.     @Override
  53.     public void run() {
  54.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
  55.             if (i % 2 == 0) {
  56.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
  57.             }
  58.         }
  59.     }
  60. }

创建三个窗口卖票，总票数为100：WindowsTest.java

方式二：实现Runnable接口

  1.   1. 创建一个实现了Runnable接口的类
  2.   1. 实现类去实现Runnable中的抽象方法
  3.   1. 创建实现类的对象
  4.   1. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
  5.   1. 通过Thread类的对象调用start()
  1. /**
  2.  * 创建多线程的方式二：实现Runnable接口
  3.  * 1. 创建一个实现了Runnable接口的类
  4.  * 2. 实现类去实现Runnable中的抽象方法
  5.  * 3. 创建实现类的对象
  6.  * 4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
  7.  * 5. 通过Thread类的对象调用start()
  8.  *
  9.  * @author : Yuki Judai 2022/3/8 16:40
  10.  */
  11. public class ThreadTestTwo {
  12.     public static void main(String[] args) {
  13.         //3. 创建实现类的对象
  14.         MThread mThread = new MThread();
  16.         //4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
  17.         Thread t1 = new Thread(mThread);
  19.         t1.setName("线程1");
  21.         //5. 通过Thread类的对象调用start():①启动线程 ②调用当前线程的run()-->调用了Runnable类型的target的run()
  22.         t1.start();
  24.         //再启动一个线程，遍历100以内的偶数
  25.         Thread t2 = new Thread(mThread);
  26.         t2.setName("线程2");
  27.         t2.start();
  29.     }
  30. }
  32. //1. 创建一个实现了Runnable接口的类
  33. class MThread implements Runnable {
  35.     //2. 实现类去实现Runnable中的抽象方法
  36.     @Override
  37.     public void run() {
  38.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
  39.             if (i % 2 == 0) {
  40.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
  41.             }
  42.         }
  43.     }
  44. }

比较创建线程的两种方式

开发中，优先选择实现Runnable接口的方式
1.实现的方式没有类的单继承性的局限性
2.实现的方式更适合处理多个线程有共享数据的情况
联系
Thread类本身也是实现了Runnable接口
相同点
两种方式都需要重写run()方法，将线程要执行的逻辑声明在run()方法中

线程的生命周期

JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态

要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线程，在它的一个完整的声明周期中通常要经历五种状态

  1.   - 新建：当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态
  2.   - 就绪：处于新建状态的线程被start() 后，将进入线程队列等待CPU时间片，此时它已具备运行的条件，只是没分配到CPU资源
  3.   - 运行：当就绪的线程被调度并获得CPU资源时，便进入运行状态，run()定义了线程的操作和功能
  4.   - 阻塞：在某种特殊的情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，让出CPU并临时中止自己的执行，进入阻塞状态
  5.   - 死亡：线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束

image.png

线程的同步

问题的提出与解决方案

问题
出现了线程安全问题，当某个线程在操作共享数据的过程中，尚未操作完成时，其他线程参与进来，也参与共享数据
解决
当一个线程a在操作共享数据的时候，其他线程不能参与进来，直到线程a操作完共享数据时，其他线程才可以操作共享数据。这种情况即使线程a出现了阻塞，也不能被改变

在Java中，我们通过同步机制，来解决线程安全问题

同步机制方式一：同步代码块

格式

  1. synchronized(同步监视器){
  2.     //需要被同步的代码
  3. }

说明
操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码（不能包含的代码多了，也不能包含的代码少了）
共享数据：多个线程共同操作的变量或数据
同步监视器：俗称锁。①任何一个类的对象，都可以充当锁②多个线程公用同一把锁
补充
在实现Runnable接口创建多线程的方式，我们可以考虑使用this充当同步监视器

实现Runnable接口的方式的天然优势是实现类只会被新建一个对象，但具体情况也要具体讨论

在继承Thread类创建多线程的方式中，慎用this充当同步监视器，可以考虑使用当前类充当同步监视器

当前类内容属于反射知识，详见反射

相关例子
实现Runnable接口线程安全问题解决
ThreadSynchronize1.java
继承Thread线程安全问题解决
ThreadSynchronize2.java

同步机制方式二：同步方法

如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，我们不妨将此方法声明为同步的

总结
同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式的声明
非静态的同步方法，同步监视器为this；静态的同步方法，同步监视器为类本身

使用静态与非静态重点要看操作多线程的对象是多个还是单个

相关例子
实现Runnable接口线程安全问题解决
ThreadSynchronize3.java
继承Thread线程安全问题解决
ThreadSynchronize4.java

解决懒汉式线程安全问题

LazyManOptimization.java

死锁

定义
不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁
出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续
解决方法
专门的算法、原则
尽量减少同步资源的定义
尽量避免嵌套同步

同步机制方式三：Lock（锁）

  1.   - 从JDK5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当
  2.   - java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象枷锁，线程开始访问共享资源之前应该先获得Lock对象
  3.   - ReentrantLock类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock。它可以显式加锁，释放锁
  1. /**
  2.  * 解决线程安全问题的方式三：Lock锁   ——JDK 5.0新增
  3.  *
  4.  * @author : Yuki Judai 2022/3/10 9:20
  5.  */
  6. public class LockTest {
  7.     public static void main(String[] args) {
  8.         WindowLock windowLock = new WindowLock();
  10.         Thread t1 = new Thread(windowLock);
  11.         Thread t2 = new Thread(windowLock);
  12.         Thread t3 = new Thread(windowLock);
  14.         t1.setName("窗口1");
  15.         t2.setName("窗口2");
  16.         t3.setName("窗口3");
  18.         t1.start();
  19.         t2.start();
  20.         t3.start();
  21.     }
  22. }
  24. class WindowLock implements Runnable {
  26.     private int ticket = 100;
  28.     //1.实例化ReentrantLock
  29.     private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  32.     @Override
  33.     public void run() {
  34.         while (true) {
  35.             try {
  36.                 //2.调用锁定方法：lock()
  37.                 lock.lock();
  39.                 if (ticket > 0) {
  40.                     try {
  41.                         Thread.sleep(100);
  42.                     } catch (InterruptedException e) {
  43.                         e.printStackTrace();
  44.                     }
  45.                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为" + ticket);
  46.                     ticket--;
  47.                 } else {
  48.                     break;
  49.                 }
  50.             } finally {
  51.                 //调用解锁方法：unlock()
  52.                 lock.unlock();
  53.             }
  54.         }
  55.     }
  56. }

synchronized 与 Lock 的异同

同
都是用来解决线程的安全问题
不同
synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器
Lock需要手动的启动同步（lock()）,同时结束同步也需要手动的实现（unlock()）
Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁
使用lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多子类）

如何解决线程的安全问题

两种或三种方式都行

线程的通信

线程通信的方法

  1.   - wait():一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器
  2.   - notify():一旦执行此方法，就会唤醒被wait的一个线程，如果有多个线程被wait，就唤醒优先级高的那个
  3.   - notifyAll():一旦执行此方法，就会唤醒被wait的所有线程

注意点
wait()、notify()、notifyAll()这三个方法必须要使用在同步代码块或同步方法中
三个方法的调用者必须是同步代码块或者同步方法的同步监视器，否则运行报错出现IllegalMonitorStateException异常,因此这三个方法只能出现在synchronized机制中，不能出现在Lock中
这三个方法定义在java.lang.Object类当中

同步监视器可以是任何一个对象，那这三个方法也要保证任何一个对象都能调用

例子：使用两个线程打印1-100，线程1、线程2交替打印
CommunicationTest.java

sleep() 和 wait() 的异同

相同点
一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入阻塞状态
不同点
两个方法声明的位置不同
Thread类中声明sleep()
Object类中声明wait()
调用的范围不同
sleep() 可以在任何需要的场景下被调用
wait() 必须使用在synchronized机制中
关于是否释放同步监视器
如果两个方法都使用在synchronized中
sleep() 不会释放同步监视器
wait() 会释放同步监视器

生产者/消费者问题

问题叙述
生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品（比如：20），
如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；
如果店中没用产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品
问题分析
生产者比消费者快时，消费者会漏掉一些数据没有取到
消费者比生产者快时，消费者会取相同的数据
解决方案
ProductTest.java

5.0新增线程创建方式

新增方式一：实现Callable接口

与实现Runnable项目比，Callable功能更强大些

  1.   - 相比 run() 方法，可以有返回值
  2.   - 方法可以抛出异常
  3.   - 支持泛型的返回值
  4.   - 需要借助FutureTask类，比如获取返回结果

Future接口

可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等 FutureTask是Future接口的唯一的实现类 FutureTask同时实现了Runnable、Future接口。它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值

创建过程

  1. /**
  2.  * 创建线程的方式三：实现Callable接口的方式(JDK 5.0新增)
  3.  *
  4.  * @author : Yuki Judai 2022/3/10 13:21
  5.  */
  6. public class CallableTread {
  7.     public static void main(String[] args) {
  8.         //3.创建Callable接口实现类的对象
  9.         NumThread numThread = new NumThread();
  11.         //4.将此Callable实现类的对象作为参数传递到FutureTask构造器中，创建GutureTask的对象
  12.         FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(numThread);
  14.         //5.将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
  15.         //FutureTask实现类Runnable接口
  16.         new Thread(futureTask).start();
  18.         try {
  19.             //6.获取Callable中的call方法的返回值
  20.             //get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call方法的返回值
  21.             Integer sum = futureTask.get();
  22.             System.out.println("总和为:" + sum);
  23.         } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
  24.             e.printStackTrace();
  25.         }
  27.     }
  28. }
  30. //1.创建一个实现Callable的实现类
  31. class NumThread implements Callable<Integer> {
  33.     //2.实现call方法,将此线程需要执行的操作声明在call方法中
  34.     @Override
  35.     public Integer call() throws Exception {
  36.         int sum = 0;
  38.         //遍历100以内的偶数
  39.         for (int i = 0; i <= 100; i++) {
  40.             if (i % 2 == 0) {
  41.                 System.out.println(i);
  42.                 sum += i;
  43.             }
  44.         }
  46.         return sum;
  47.     }
  48. }

如何理解实现Callable接口的方式创建多线程比实现Runnable接口创建多线程要强大？

  1.   - call方法可以有返回值
  2.   - call方法可以抛出异常，被外面的操作捕获，获取异常的信息
  3.   - Callable支持泛型

新增方式二：使用线程池

背景
经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大
思路
提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁，实现重复利用。类似生活中的公共交通工具
好处
提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
便于线程管理
corePoolSize：核心池的大小
maximumPoo：最大线程数
keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
实现

  1. /**
  2.  * 创建线程的方式四：使用线程池
  3.  *
  4.  * @author : Yuki Judai 2022/3/10 14:12
  5.  */
  6. public class ThreadPool {
  7.     public static void main(String[] args) {
  8.         //1.提供指定线程数量的线程池
  9.         ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
  10.         ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
  13.         //设置线程池的属性
  14. //        System.out.println(service.getClass());
  15.         service1.setCorePoolSize(15);
  16. //        service1.setKeepAliveTime();
  18.         //2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
  19.         //使用适用于Runnable
  20.         service.execute(new NumberThread());
  22.         //适合使用于Callable
  23. //        service.submit(Callable callable);
  25.         //3.关闭连接池
  26.         service.shutdown();
  27.     }
  28. }
  30. class NumberThread implements Runnable {
  32.     @Override
  33.     public void run() {
  34.         for (int i = 0; i <= 100; i++) {
  35.             if (i % 2 == 0) {
  36.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
  37.             }
  38.         }
  39.     }
  40. }

创建多线程几种方式？

四种