Java Thread

2021-08-08

Description: this article is talking about some knowledge of Java thread

daemon

java的线程分为用户线程和daemon线程，GC线程

用户线程

可以简单地理解为用户定义的线程，当然包括main线程

deamon线程

daemon线程是为我们创建的用户线程提供服务的线程，比如说jvm的GC等等，这样的线程有一个非常明显的特征：当用户线程运行结束的时候，daemon线程将会自动退出。

daemon线程的特点

守护线程创建的过程中需要先调用setDaemon方法进行设置，然后在启动线程，否则会报出illegalThreadStateException异常
由于daemon线程的终止条件是当前是否存在用户线程所以我们不能指派daemon线程来进行一些业务操作，而只能服务用户线程
daemon线程创建的子线程任然是daemon线程

进程

进程是系统资源分配的单位

线程

线程是CPU 调度和知心搞的单位，在同一个时间点，cpu只能执行一个代码，因为切换的很快，所以就有同时执行的错觉

线程会带来额外的开销，如cpu调度时间，并发控制开销

每个线程在自己的工作内存交互，内存控制不当会造成数据不一致

线程的创建

每个线程都有优先权，具有较高优先级的线程优先于优先级较低的线程执行。

当在某个线程中运行代码创建一个新的Thread对象时，新线程的优先级最初设置为等于创建线程的优先级，并且仅当创建线程是守护进程时才是守护线程

1（使用thread 实现）

将一个类声明为thread的子类，
这个子类应该重写run类的方法thread，
创建线程对象，调用run（）方法启动线程

//extend thread class
public class TestThread extends Thread {

    //rewrite the run method
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("I am thread: "+ i);
        }
    }

    // this is main thread
    public static void main(String[] args) {
        //create thread instance
        TestThread testThread = new TestThread();
        //invoke start method
        testThread.start();
        for (int i = 0; i <10 ; i++) {
            System.out.println("I am main thread"+i);
        }

    }
}

2 （使用runnable类实现）

定义类实现runnable接口
实现run（）方法，编写线程执行体
创建线程对象，调用start（）方法启动线程

//implement runnable interface
public class TestThread2  implements  Runnable{

    //rewrite run method
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("I am thread ");

        }

    }

    //this is main thread
    public static void main(String[] args) {
        //create instance
        TestThread2 testThread2 = new TestThread2();
        //create Thread class and proxy the the TestThread2
       // Thread thread = new Thread(testThread2);
       // thread.start();
        // can be write in this way
        new Thread(testThread2).start();

        for (int i = 0; i < 2000; i++) {
            System.out.println("I am main thread");
        }
    }
}

推荐使用：避免单继承局限性，灵活方便，方便同一个对象被多个线程使用

multiple threads manipulate same resources the thread is not safe and will have the data discorder

public class TestThread3 implements Runnable {

    //de fine the number of tickets
    private int ticketsNumber = 10;

    @Override
    public void run() {
        while (ticketsNumber > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " got: "+ticketsNumber--);
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThread3 testThread3 = new TestThread3();
        new Thread(testThread3,"tom").start();
        new Thread(testThread3,"jack").start();
        new Thread(testThread3,"mike").start();
    }
}

different thread got the same resource

3 实现callable 接口

实现callable 接口，需要返回值类型
重写call方法，需要抛出异常
创建目标对象
创建执行任务： ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1);
提交执行： Future results1 = ser.submit(t1);
获取结果：boolean r1 = results1.get();
关闭服务：ser.shutdownNow();

public class TestThread4 implements Callable {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        return Thread.currentThread().getName();
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        TestThread4 t1 = new TestThread4();
        TestThread4 t2 = new TestThread4();
        TestThread4 t3 = new TestThread4();
        //create service
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);
        //submit executor
        Future<String> r1 = service.submit(t1);
        Future<String> r2 = service.submit(t2);
        Future<String> r3 = service.submit(t3);

        //get the results
        String result1 = r1.get();
        String result2 = r2.get();
        String result3 = r3.get();

        //close service
        service.shutdown();


    }
}

好处

可以定义返回值
可以抛出异常

线程的状态

创建状态

就绪状态

运行状态

阻塞状态

死亡状态

线程方法

停止线程

建议使用一个标志位终止变量，当flag = false 则终止线程运行

public class StopThread implements Runnable{
    private boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        int i = 0;
        while (flag){
        System.out.println("I am thread "+ i++);
        }

    }

    //create a method to stop the thread
    public void stop(){
        this.flag = false;
    }

// this is main thread
    public static void main(String[] args) {
        //create instance
        StopThread stopThread = new StopThread();
        //achieve run method
        new Thread(stopThread).start();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if(i == 5){
                stopThread.stop();
                System.out.println("Thread is stopping");
                System.out.println("I am main"+i);
            }

        }

    }
}

线程休眠

sleep（时间）制定当前线程阻塞的毫秒数
sleep存在异常InterruptedException
sleep时间达到后线程进入就绪状态
sleep可以模拟网络延时，倒计时等
每一个对象都有一个锁，sleep不会释放锁

线程的礼让

礼让线程，让当前正在执行的线程暂停，但不阻塞
将线程从运行状态转为就绪状态
让cpu重新调度，礼让不一定成功，看cpu心情

public class TestYield implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "Start");
        Thread.yield();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "End");

    }

    public static void main(String[] args) {
        TestYield testYield = new TestYield();
        new Thread(testYield,"a").start();
        new Thread(testYield,"b").start();
    }
}

插队Join

join 合并线程，待此线程执行完成后，在执行其他线程，其他线程阻塞

public class TestJoin implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("VIP thread: "+ i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TestJoin testJoin = new TestJoin();
        Thread thread = new Thread(testJoin);
        thread.start();

        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            if (i==25){
                thread.join();
            }
            System.out.println("Main thread: "+ i);

        }

    }
}

Thread State

死亡之后的线程不能再次启动

线程的优先级

java 提供一个线程调度器来监控程序中启动后进入就绪状态的所有线程，线程调度器按照优先级决定应该调度哪个线程来执行

线程的优先级用数字表示，范围从1—10

Thread.MIN_PRIORITY =1;

Thread.MAX_PRIORITY =10;

Thread.NORM_PRIORITY =5; 默认值

使用以下方式改变或获取优先级

getPriority().setPriority(int xxx)

public class TestPriority {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " -> " + Thread.currentThread().getPriority());
        MyThread myThread = new MyThread();
        Thread t1 = new Thread(myThread,"t1");
        Thread t2 = new Thread(myThread,"t2");
        Thread t3 = new Thread(myThread,"t3");
        Thread t4 = new Thread(myThread,"t4");
        t1.start();
        t2.setPriority(1);
        t2.start();
        t3.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        t3.start();
        t4.setPriority(3);
        t4.start();




    }

}
class MyThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " -> " + Thread.currentThread().getPriority());
    }
}

优先级低只是意味着获得调度的概率低，并不是优先级低就不会被调用了，这都是看cpu的调度

守护线程（daemon）

线程分为用户线程和守护线程
虚拟机必须确保用户线程执行完毕
虚拟机不用等待守护线程执行完毕
如，后台记录操作日志，监控内存，垃圾回收等待

public class TestDaemon {
    public static void main(String[] args) {
        DaemonThread daemonThread = new DaemonThread();
        Thread thread = new Thread(daemonThread);
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();

        UserThread userThread = new UserThread();
        new Thread(userThread).start();
    }
}

class DaemonThread implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println("I am daemon");
        }
    }
}

class UserThread implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 360; i++) {

            System.out.println("all happy");
        }
        System.out.println("bye world");
    }
}

线程同步

多个线程操作同一个资源

并发

同一个对象被多个线程同时操作

例子：抢票，同时取钱

线程同步

处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象，这时候我们就需要线程同步，线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池行程队列，等待前面线程使用完毕，下一个线程在使用。

由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同事，也带来了访问冲突问题，为了保证数据在方法找那个被访问时的正确性，在访问时加入锁机制 Synchronized，当一个线程获得多项的排他锁，独占资源，其他线程必须等待，使用后释放锁即可，存在以下问题：

一个线程尺有所会导致其他所有需要此锁的线程挂起
在多线程竞争下，加锁，释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题
如果一个优先级高德线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置，引起性能问题

由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以我们只需要针对方法提出一套机制，这套机制就是synchronized关键字，它包括两种用法：synchronized方法和synchronized块

synchronized方法控制对对象的访问，每个对象对应一把锁，每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行，否则线程会阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到该方法返回才释放锁，后面被阻塞的线程才能后的这个锁，继续执行

缺陷

若将一个大的方法申明synchronized将会影响效率（方法里面需要修改的内容才需要锁，锁的太多，浪费资源）

public class TestSynchronized {
    public static void main(String[] args) {
        BuyingTickets buyingTickets = new BuyingTickets();
        new Thread(buyingTickets,"a").start();
        new Thread(buyingTickets,"b").start();
        new Thread(buyingTickets,"c").start();
    }

}
class BuyingTickets implements Runnable{
    private int tickets = 10;
    boolean flag = true;


    @Override
    public void run() {
        while (flag){
            buy();
        }

    }

    private synchronized void buy(){
        if (tickets <=0){
            flag = false;
            return;
        }
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "buy the tickets " + tickets--);
    }
}

线程是不安全的

public class BuyTickets implements Runnable{
    //define the ticket number
    private int ticketNumber = 10;


    @Override
    public void run() {
        boolean flag = true;
        while (flag){
            if(ticketNumber <=0){
                flag = false;
                return;
            }
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "buy the tickets " + ticketNumber--);

        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        BuyTickets buyTickets = new BuyTickets();
        new Thread(buyTickets,"a").start();
        new Thread(buyTickets,"b").start();
        new Thread(buyTickets,"c").start();

    }
}

results:

Arraylist 是线程不安全的

public class TestList{
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }
//        try {
//            Thread.sleep(3000);
//        } catch (InterruptedException e) {
//            e.printStackTrace();
//        }
        System.out.println(list.size());
    }

results

死锁

多个线程各自占有一些共享资源，并且互相等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形，某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能发生死锁的问题

public class TestDeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        MakeUp makeUp = new MakeUp(0,"a");
        MakeUp makeUp1 = new MakeUp(1,"b");
        makeUp.start();
        makeUp1.start();
    }
}

class LipStick{

}
class Mirror{

}
class MakeUp extends  Thread{
    //get the only one resource
    static LipStick lipStick = new LipStick();
    static Mirror mirror = new Mirror();
    int choice;
    String name;

    MakeUp (int choice, String name){
        this.choice = choice;
        this.name = name;

    }

    private void makeUp(){
        if (choice ==0){
            synchronized (lipStick){
                System.out.println(this.name + "got lipstick");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (mirror){
                    System.out.println(this.name + "got mirror");
                }
            }
        }else {
            synchronized (mirror){
                System.out.println(this.name + "got mirror");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lipStick){
                    System.out.println(this.name + "got mirror");
                }
            }
        }
    }


    @Override
    public void run() {
        makeUp();

    }



}

死锁避免方法

产生死锁的四个必要条件

互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用
请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放
不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺
循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系

我们只需要想办法破其中的任意一个或多个条件就可以避免死锁

Lock 锁

通过显示定义同步锁对象来实现同步（synchronized 是隐式），同步锁使用lock对象充当

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对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得lock对象

ReentrantLock类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发行和内存语义，再实现线程安全的控制中，比较常用的ReentrantLick，可以显示加锁，释放锁

package test;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @program: LeetCode
 * @description: test lock
 * @author: Keyang Wang
 * @create: 2021-09-11 14:50
 **/
public class TestLock {
    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket buyTicket = new BuyTicket();
        new Thread(buyTicket,"a").start();
        new Thread(buyTicket,"b").start();
    }

}

class BuyTicket implements  Runnable{
    int ticket = 10;

    // add lock
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();


    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                lock.lock();
                if (ticket > 0){
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(ticket--);
                }else {
                    break;
                }
            }finally {
                lock.unlock();
            }

        }
    }
}

synchronized 和 Lock

线程协作

生产者消费者模式

场景

Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

wait（）表示线程一直等待，知道其他线程通知，与sleep不同，会释放锁
wait（long timeout）指定等待的毫秒数
notify（）唤醒一个处于等待状态的线程
notifyAll() 唤醒同一个对象上所有调用wait（）方法的线程，优先级别搞的线程优先调度

解决方式

管程法

利用缓冲区解决

public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        PCBuffer pcBuffer = new PCBuffer();
        new Producer(pcBuffer).start();
        new Consumer(pcBuffer).start();



    }
}
//consumer class
class Consumer extends Thread{
    PCBuffer pcBuffer;
    Consumer(PCBuffer pcBuffer){
        this.pcBuffer = pcBuffer;
        
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("consumer consume " + pcBuffer.buyChicken().id + "chicken");

        }
    }
}

//producer class
class Producer extends Thread{
    PCBuffer pcBuffer;
    Producer(PCBuffer pcBuffer){
        this.pcBuffer = pcBuffer;
        
    }
    
    @Override
    public void run() {
       //produce chickens
        for (int i = 0; i < 100; i++) {

            Chicken chicken = new Chicken(i);
            pcBuffer.pushChicken(chicken);
            System.out.println("producer produce " + i + "chicken");
        }
    }
}

class Chicken{
    int id;

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}
//buffer class
class PCBuffer extends Thread{
    //buffer can contain 10 chickens
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    int count = 0;

    //producer push chickens
    public synchronized void pushChicken(Chicken chicken){
        if (chickens.length == count){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
        // push chicken
        chickens[count] = chicken;
        count++;
        this.notifyAll();


    }

    //consumer buy chicken
    public synchronized Chicken buyChicken(){
        if (count == 0){
            //wait
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        count --;
        Chicken chicken = chickens[count];

        this.notifyAll();


        //inform producer produce chicken

        return  chicken;
    }


    @Override
    public void run() {
        super.run();
    }
}

信号灯法

public class TestPC2 {
    public static void main(String[] args) {
        Tv tv = new Tv();
        new Player(tv).start();
        new Visitor(tv).start();
    }
}

class Player extends Thread{
    Tv tv;
    Player (Tv tv){
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if (i%2 == 0){
                this.tv.play("voice of china");
            }else {
                this.tv.play("NBA");
            }
        }
    }
}

class Visitor extends Thread{
    Tv tv;
    Visitor(Tv tv){
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            tv.watch();
        }
    }
}

class Tv {
    String voice;
    boolean flag = true;
    // T player play
    //F visitor watches
    public synchronized void play(String voice){
        if (!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
        System.out.println("Player play " + voice);
        this.notifyAll();
        this.voice = voice;
        this.flag = !this.flag;

    }

    public synchronized void watch(){
        if (flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
        System.out.println(" watch "+ voice);
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;

    }
}

线程池

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

提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时候直接获取，使用完后放回池中。可以避免频繁创建销毁，实现重复利用

好处

提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
降低了资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
便于管理线程
- corePoolSize：核心池的大小
- maximumPoolSize：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

使用线程池

public class TestThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        //create service and thread pool
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //executor
        service.execute(new MyThread1());
        service.execute(new MyThread1());
        service.execute(new MyThread1());
        service.execute(new MyThread1());

        //close service
        service.shutdown();

    }


}

class MyThread1 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

Reference

【狂神说Java】多线程详解

daemon

用户线程

deamon线程

daemon线程的特点

进程

线程

线程的创建

1（使用thread 实现）

2 （使用runnable类实现）

推荐使用： 避免单继承局限性，灵活方便，方便同一个对象被多个线程使用

multiple threads manipulate same resources the thread is not safe and will have the data discorder

different thread got the same resource

3 实现callable 接口

好处

线程的状态

线程方法

停止线程

线程休眠

线程的礼让

插队Join

Thread State

线程的优先级

使用以下方式改变或获取优先级

守护线程 （daemon）

线程同步

并发

线程同步

缺陷

线程是不安全的

results:

Arraylist 是线程不安全的

results

死锁

死锁避免方法

Lock 锁

synchronized 和 Lock

线程协作

生产者消费者模式

场景

解决方式

管程法

信号灯法

线程池

好处

使用线程池

Reference

推荐使用：避免单继承局限性，灵活方便，方便同一个对象被多个线程使用

守护线程（daemon）