Java学习笔记（五）：线程
1 多线程
我们在之前，学习的程序在没有跳转语句的前提下，都是由上至下依次执行，那现在想要设计一个程序，边打游戏边听歌，怎么设计？
要解决上述问题,咱们得使用多进程或者多线程来解决.
1.1 并发与并行
- 并发：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。
- 并行：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。
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在操作系统中，安装了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行，这在单 CPU 系统中，每一时刻只能有一道程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分时交替运行的时间是非常短的。
而在多个 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上（CPU），实现多任务并行执行，即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU，便是多核处理器，核越多，并行处理的程序越多，能大大的提高电脑运行的效率。
注意：单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的，只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的，从宏观角度上理解线程是并行运行的，但是从微观角度上分析却是串行运行的，即一个线程一个线程的去运行，当系统只有一个CPU时，线程会以某种顺序执行多个线程，我们把这种情况称之为线程调度。
1.2 线程与进程
-
进程：是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有一个独立的内存空间，一个应用程序可以同时运行多个进程；进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。
-
线程：线程是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的，这个应用程序也可以称之为多线程程序。
简而言之：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程
我们可以再电脑底部任务栏，右键----->打开任务管理器,可以查看当前任务的进程：
进程
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线程
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线程调度:
-
分时调度
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。
-
抢占式调度
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(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。
- 设置线程的优先级
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-
抢占式调度详解
大部分操作系统都支持多进程并发运行，现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。此时，这些程序是在同时运行，”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。
实际上，CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快，看上去就是在同一时刻运行。
其实，多线程程序并不能提高程序的运行速度，但能够提高程序运行效率，让CPU的使用率更高。[图片上传失败...(image-e3f872-1580720568911)]
1.3 使用Thread类创建线程
翻阅API后得知创建线程的方式总共有两种，一种是继承Thread类方式，一种是实现Runnable接口方式。
Java使用java.lang.Thread类代表线程，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。每个线程的作用是完成一定的任务，实际上就是执行一段程序流即一段顺序执行的代码。Java使用线程执行体来代表这段程序流。Java中通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下：
- 定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务,因此把run()方法称为线程执行体。
- 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
- 调用线程对象的start()方法来启动该线程
代码如下：
自定义线程类：
public class MyThread extends Thread {
//定义指定线程名称的构造方法
public MyThread(String name) {
//调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
super(name);
}
/**
* 重写run方法，完成该线程执行的逻辑
*/
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
}
}
}
测试类：
public class Demo01 {
public static void main(String[] args) {
//创建自定义线程对象
MyThread mt = new MyThread("新的线程！");
//开启新线程
mt.start();
//在主方法中执行for循环
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("main线程！"+i);
}
}
}
Thread 类的常用方法：
java.lang.Thread 类的API中定义了有关线程的一些方法，具体如下：
构造方法：
-
public Thread():分配一个新的线程对象。 -
public Thread(String name):分配一个指定名字的新的线程对象。 -
public Thread(Runnable target):分配一个带有指定目标新的线程对象。 -
public Thread(Runnable target,String name):分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。
常用方法：
-
public String getName():获取当前线程名称。 -
public void start():导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法 -
public void run():此线程要执行的任务在此处定义代码。 -
public static void sleep(long millis):使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。 -
public static Thread currentThread():返回对当前正在执行的线程对象的引用。
1.4 使用Runnable接口创建线程
采用 java.lang.Runnable 也是非常常见的一种，我们只需要重写run方法即可。
步骤如下：
- 定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
- 创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正
的线程对象。 - 调用线程对象的start()方法来启动线程。
代码如下：
定义Runnable接口的实现类
public class MyRunnable implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
}
}
}
测试类
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
//创建自定义类对象 线程任务对象
MyRunnable mr = new MyRunnable();
//创建线程对象
Thread t = new Thread(mr, "小强");
t.start();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println("旺财 " + i);
}
}
}
通过实现 Runnable接口，使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。
在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象，然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。
实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是继承Thread类还是实现Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的，熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。
tips:
Runnable对象仅仅作为Thread对象的target，Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。而实际的线程对象依然是Thread实例，只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。
1.5 Thread 和Runnable的区别
如果一个类继承Thread，则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话，则很容易的实现资源共享。
总结：
实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：
- 适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
- 可以避免java中的单继承的局限性。
- 增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享，代码和线程独立。线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类。
扩充：在java中，每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程，一个是垃圾收集线程。因为每当使用java命令执行一个类的时候，实际上都会启动一个JVM，每一个JVM其实在就是在操作系统中启动了一个进程。
1.6 匿名内部类方式实现线程的创建
使用线程的内匿名内部类方式，可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。使用匿名内部类的方式实现Thread类和Runnable接口，重写的run方法：
public class NoNameInnerClassThread {
public static void main(String[] args) {
//1 线程的父类是Thread
// new MyThread().start();
new Thread(){
//重写run方法,设置线程任务
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i <20 ; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+"aaa");
}
}
}.start();
//2 线程的接口Runnable
//Runnable r = new RunnableImpl();//多态
Runnable r = new Runnable(){
//重写run方法,设置线程任务
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i <20 ; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+"bbb");
}
}
};
new Thread(r).start();
//简化接口的方式
new Thread(new Runnable(){
//重写run方法,设置线程任务
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i <20 ; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+"ccc");
}
}
}).start();
}
}
1.7 多线程原理
分析如下代码：
自定义线程类：
public class MyThread extends Thread{
/*
* 利用继承中的特点
* 将线程名称传递 进行设置
*/
public MyThread(String name){
super(name);
}
/*
* 重写run方法
* 定义线程要执行的代码
*/
public void run(){
for (int i = 0; i < 20; i++) {
//getName()方法 来自父亲
System.out.println(getName()+i);
}
}
}
测试类：
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("这里是main线程");
MyThread mt = new MyThread("小强");
mt.start();//开启了一个新的线程
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println("旺财:"+i);
}
}
}
下面画个多线程执行时序图来体现一下多线程程序的执行流程。
流程图：
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程序启动运行 main时候，java虚拟机启动一个进程，主线程main在main()调用时候被创建。随着调用mt的对象的start方法，另外一个新的线程也启动了，这样，整个应用就在多线程下运行。通过这张图我们可以很清晰的看到多线程的执行流程，那么为什么可以完成并发执行呢？我们再来讲一讲原理。
多线程执行时，到底在内存中是如何运行的呢？以上个程序为例，进行图解说明：多线程执行时，在栈内存中，其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间。进行方法的压栈和弹栈。
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当执行线程的任务结束了，线程自动在栈内存中释放了。但是当所有的执行线程都结束了，那么进程就结束了。
2 线程安全
2.1 线程安全
如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。
我们通过一个案例，演示线程的安全问题：
电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “葫芦娃大战奥特曼”，本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。
我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖 “葫芦娃大战奥特曼”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)
需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟
模拟票：
public class Ticket implements Runnable {
private int ticket = 100;
/*
* 执行卖票操作
*/
@Override
public void run() {
//每个窗口卖票的操作
//窗口 永远开启
while (true) {
if (ticket > 0) {//有票 可以卖
//出票操作
//使用sleep模拟一下出票时间
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto‐generated catch block
e.printStackTrace();
}
//获取当前线程对象的名字
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
}
}
}
}
测试类：
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
//创建线程任务对象
Ticket ticket = new Ticket();
//创建三个窗口对象
Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
//同时卖票
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
运行的异常结果：
窗口3正在卖:100
窗口2正在卖:-1
窗口1正在卖:0
窗口2正在卖:100
发现程序出现了两个问题：
- 相同的票数,比如100这张票被卖了两回。
- 不存在的票，比如0票与-1票，是不存在的。
这种问题，几个窗口(线程)票数不同步了，这种问题称为线程不安全。
线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。
当我们使用多个线程访问同一资源的时候，且多个线程中对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。
要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制(synchronized)来解决。
为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。
那么怎么去使用呢？有三种方式完成同步操作：
-
同步代码块。
-
同步方法。
-
锁机制。
3.2 同步代码块
同步代码块 ： synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。
格式:
synchronized(同步锁){
需要同步操作的代码
}
同步锁:
对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.
- 锁对象 可以是任意类型。
- 多个线程对象 要使用同一把锁。
注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着(BLOCKED)。
使用同步代码块解决代码：
public class Ticket implements Runnable {
private int ticket = 100;
//创建一个锁对象
Object lock = new Object();
/*
* 执行卖票操作
*/
@Override
public void run() {
//每个窗口卖票的操作
//窗口 永远开启
while (true) {
synchronized (lock) {
if (ticket > 0) {//有票 可以卖
//出票操作
//使用sleep模拟一下出票时间
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto‐generated catch block
e.printStackTrace();
}
//获取当前线程对象的名字
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
}
}
}
}
}
当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。
3.3 同步方法
同步方法 :使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。
格式：
public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
同步锁是谁?
对于非static方法,同步锁就是this。
对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。
使用同步方法代码如下：
public class Ticket implements Runnable{
private int ticket = 100;
/*
* 执行卖票操作
*/
@Override
public void run() {
//每个窗口卖票的操作
//窗口 永远开启
while(true){
sellTicket();
}
}
/*
* 锁对象是谁调用这个方法就是谁
* 隐含锁对象就是this
* 相当于synchronized (this){}
*/
public synchronized void sellTicket(){
if(ticket>0){//有票 可以卖
//出票操作
//使用sleep模拟一下出票时间
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto‐generated catch block
e.printStackTrace();
}
//获取当前线程对象的名字
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--);
}
}
}
3.4 Lock 锁
java.util.concurrent.locks.Lock机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作,同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。
Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下：
-
public void lock() :加同步锁。
-
public void unlock() :释放同步锁。
使用如下
public class Ticket implements Runnable{
private int ticket = 100;
Lock lock = new ReentrantLock();
/*
* 执行卖票操作
*/
@Override
public void run() {
//每个窗口卖票的操作
//窗口 永远开启
while(true){
lock.lock();
if(ticket>0){//有票 可以卖
//出票操作
//使用sleep模拟一下出票时间
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto‐generated catch block
e.printStackTrace();
}
//获取当前线程对象的名字
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--);
}
lock.unlock();
// //另一种写法，将unlock放在finally里面
// lock.lock();
// if(ticket>0){//有票 可以卖
// //出票操作
// //使用sleep模拟一下出票时间
// try {
// Thread.sleep(10);
// //获取当前线程对象的名字
// String name = Thread.currentThread().getName();
// System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--);
// } catch (InterruptedException e) {
// e.printStackTrace();
// } finally {
// lock.unlock();
// }
// }
// }
}
}
}
3 线程状态
3.1 线程状态概述
当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中，有几种状态呢？在API中 java.lang.Thread.State 这个枚举中给出了六种线程状态：
这里先列出各个线程状态发生的条件，下面将会对每种状态进行详细解析
| 线程状态 | 导致状态发生条件 |
|---|---|
| NEW（新建） | 线程刚被创建，但是并未启动。还没调用start方法。 |
| Runnable（可运行） | 线程可以在java虚拟机中运行的状态，可能正在运行自己代码，也可能没有，这取决于操作系统处理器。 |
| Blocked（锁阻塞） | 当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。 |
| Waiting（无限等待） | 一个线程在等待另一个线程执行一个（唤醒）动作时，该线程进入Waiting状态。进入这个状态后是不能自动唤醒的，必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。 |
| Timed Waiting（计时等待） | 同waiting状态，有几个方法有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep 、Object.wait。 |
| Teminated（被终止） | 因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。 |
我们不需要去研究这几种状态的实现原理，我们只需知道在做线程操作中存在这样的状态。那我们怎么去理解这几个状态呢，新建与被终止还是很容易理解的，我们就研究一下线程从Runnable（可运行）状态与非运行状态之间的转换问题。
3.2 Timed Waiting （计时等待）
Timed Waiting在API中的描述为：一个正在限时等待另一个线程执行一个（唤醒）动作的线程处于这一状态。单独的去理解这句话，真是玄之又玄，其实我们在之前的操作中已经接触过这个状态了，在哪里呢？
在我们写卖票的案例中，为了减少线程执行太快，现象不明显等问题，我们在run方法中添加了sleep语句，这样就强制当前正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。
其实当我们调用了sleep方法之后，当前执行的线程就进入到“休眠状态”，其实就是所谓的Timed Waiting（计时等待），那么我们通过一个案例加深对该状态的一个理解。
实现一个计数器，计数到100，在每个数字之间暂停1秒，每隔10个数字出一个字符串
代码：
public class MyThread extends Thread {
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if ((i) % 10 == 0) {
System.out.println("‐‐‐‐‐‐‐" + i);
}
System.out.print(i);
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.print(" 线程睡眠1秒！\n");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new MyThread().start();
}
}
通过案例可以发现， sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点：
- 进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法，单独的线程也可以调用，不一定非要有协
作关系。 - 为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程
中会睡眠 - sleep与锁无关，线程睡眠到期自动苏醒，并返回到Runnable（可运行）状态。
小提示：sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就
开始立刻执行。
Timed Waiting 线程状态图：
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3.3 BLOCKED （锁阻塞）
Blocked 状态在API中的介绍为：一个正在阻塞等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。
我们已经学完同步机制，那么这个状态是非常好理解的了。比如，线程A与线程B代码中使用同一锁，如果线程A获取到锁，线程A进入到Runnable状态，那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。
这是由Runnable状态进入Blocked状态。除此Waiting以及Time Waiting状态也会在某种情况下进入阻塞状态，而这部分内容作为扩充知识点带领大家了解一下。
Blocked 线程状态图
[图片上传失败...(image-84a5a7-1580720568911)]
3.4 Waiting （无限等待）
Wating状态在API中介绍为：一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。
那么我们之前遇到过这种状态吗？答案是并没有，但并不妨碍我们进行一个简单深入的了解。我们通过一段代码来学习一下：
public class WaitingTest {
public static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) {
// 演示waiting
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true){
synchronized (obj){
try {
System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"=== 获取到锁对象，调用wait方法，进入waiting状态，释放锁对象");
obj.wait(); //无限等待
//obj.wait(5000); //计时等待, 5秒 时间到，自动醒来
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "=== 从waiting状态醒来，获取到锁对象，继续执行了");
}
}
}
},"等待线程").start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// while (true){ //每隔3秒 唤醒一次
try {
System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 等待3秒钟");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (obj){
System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 获取到锁对象,调用notify方法，释放锁对象");
obj.notify();
}
}
// }
},"唤醒线程").start();
}
}
通过上述案例我们会发现，一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的Object.notify()方法 或 Object.notifyAll()方法。
其实waiting状态并不是一个线程的操作，它体现的是多个线程间的通信，可以理解为多个线程之间的协作关系，多个线程会争取锁，同时相互之间又存在协作关系。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。
当多个线程协作时，比如A，B线程，如果A线程在Runnable（可运行）状态中调用了wait()方法那么A线程就进入了Waiting（无限等待）状态，同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁，在运行状态中调用了notify()方法，那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒，如果获取到锁对象，那么A线程唤醒后就进入Runnable（可运行）状态；如果没有获取锁对象，那么就进入到Blocked（锁阻塞状态）。
Waiting 线程状态图
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3.5 补充知识点
到此为止我们已经对线程状态有了基本的认识，想要有更多的了解，详情可以见下图：
[图片上传失败...(image-a962c0-1580720568912)]
tips:
我们在翻阅API的时候会发现Timed Waiting（计时等待） 与 Waiting（无限等待） 状态联系还是很紧密的，比如Waiting（无限等待） 状态中wait方法是空参的，而timed waiting（计时等待） 中wait方法是带参的。这种带参的方法，其实是一种倒计时操作，相当于我们生活中的小闹钟，我们设定好时间，到时通知，可是如果提前得到（唤醒）通知，那么设定好时间在通知也就显得多此一举了，那么这种设计方案其实是一举两得。如果没有得到（唤醒）通知，那么线程就处于Timed Waiting状态,直到倒计时完毕自动醒来；如果在倒计时期间得到（唤醒）通知，那么线程从Timed Waiting状态立刻唤醒。
4 等待唤醒机制
4.1 线程间通信
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。
[图片上传失败...(image-4799c3-1580720568912)]
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。
4.2 等待唤醒机制
什么是等待唤醒机制
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。
等待唤醒中的方法
等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的，使用到的3个方法的含义如下：
- 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。
注意：
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
调用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。
- 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。
- 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。
4.3 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：
包子资源类：
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：
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){//没包子
try {
bz.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("吃货正在吃"+bz.pier+bz.xianer+"包子");
bz.flag = false;
bz.notify();
}
}
}
}
包子铺线程类：
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;
//造包子
while(true){
//同步
synchronized (bz){
if(bz.flag == true){//包子资源 存在
try {
bz.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 没有包子 造包子
System.out.println("包子铺开始做包子");
if(count%2 == 0){
// 冰皮 五仁
bz.pier = "冰皮";
bz.xianer = "五仁";
}else{
// 薄皮 牛肉大葱
bz.pier = "薄皮";
bz.xianer = "牛肉大葱";
}
count++;
bz.flag=true;
System.out.println("包子造好了："+bz.pier+bz.xianer);
System.out.println("吃货来吃吧");
//唤醒等待线程 （吃货）
bz.notify();
}
}
}
}
测试类：
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
//等待唤醒案例
BaoZi bz = new BaoZi();
ChiHuo ch = new ChiHuo("吃货",bz);
BaoZiPu bzp = new BaoZiPu("包子铺",bz);
ch.start();
bzp.start();
}
}
执行效果：
包子铺开始做包子
包子造好了：冰皮五仁
吃货来吃吧
吃货正在吃冰皮五仁包子
包子铺开始做包子
包子造好了：薄皮牛肉大葱
吃货来吃吧
吃货正在吃薄皮牛肉大葱包子
包子铺开始做包子
包子造好了：冰皮五仁
吃货来吃吧
吃货正在吃冰皮五仁包子
5 线程池
5.1 线程池思想概述
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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。
5.2 线程池概念
- 线程池：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：
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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)。
5.3 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：
-
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：
-
public Future<?> submit(Runnable task):获取线程池中的某一个线程对象，并执行Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。
使用线程池中线程对象的步骤：
- 创建线程池对象。
- 创建Runnable接口子类对象。(task)
- 提交Runnable接口子类对象。(take task)
- 关闭线程池(一般不做)。
Runnable实现类代码：
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
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
// 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();
}
}
