01 语言基础+高级：1-7 异常与多线程_day07 【线程池、Lambda表达式】

day07【线程池、Lambda表达式】

主要内容

• 等待与唤醒案例
• 线程池
• Lambda表达式

教学目标

-[ ] 能够理解线程通信概念
-[ ] 能够理解等待唤醒机制
-[ ] 能够描述Java中线程池运行原理
-[ ] 能够理解函数式编程相对于面向对象的优点
-[ ] 能够掌握Lambda表达式的标准格式
-[ ] 能够使用Lambda标准格式使用Runnable与Comparator接口
-[ ] 能够掌握Lambda表达式的省略格式与规则
-[ ] 能够使用Lambda省略格式使用Runnable与Comparator接口
-[ ] 能够通过Lambda的标准格式使用自定义的接口（有且仅有一个抽象方法）
-[ ] 能够通过Lambda的省略格式使用自定义的接口（有且仅有一个抽象方法）
-[ ] 能够明确Lambda的两项使用前提

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第一章 等待唤醒机制

1.1 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。 

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。需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。这种手段即—— 等待唤醒机制。

1.2 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，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。

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：

1. 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
2. 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。
3. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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。

/*
    资源类:包子类
    设置包子的属性
        皮
        陷
        包子的状态: 有 true,没有 false
 */
public class BaoZi {
    //皮
    String pi;
    //陷
    String xian;
    //包子的状态: 有 true,没有 false,设置初始值为false没有包子
    boolean flag = false;

}

public class BaoZi

/*
    生产者(包子铺)类:是一个线程类,可以继承Thread
    设置线程任务(run):生产包子
    对包子的状态进行判断
    true:有包子
        包子铺调用wait方法进入等待状态
    false:没有包子
        包子铺生产包子
        增加一些趣味性:交替生产两种包子
            有两种状态(i%2==0)
        包子铺生产好了包子
        修改包子的状态为true有
        唤醒吃货线程,让吃货线程吃包子

    注意:
        包子铺线程和包子线程关系-->通信(互斥)
        必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
        锁对象必须保证唯一,可以使用包子对象作为锁对象
        包子铺类和吃货的类就需要把包子对象作为参数传递进来
            1.需要在成员位置创建一个包子变量
            2.使用带参数构造方法,为这个包子变量赋值
 */
public class BaoZiPu extends Thread{
    //1.需要在成员位置创建一个包子变量
    private BaoZi bz;

    //2.使用带参数构造方法,为这个包子变量赋值
    public BaoZiPu(BaoZi bz) {
        this.bz = bz;
    }

    //设置线程任务(run):生产包子
    @Override
    public void run() {
        //定义一个变量
        int count = 0;
        //让包子铺一直生产包子
        while(true){
            //必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
            synchronized (bz){
                //对包子的状态进行判断
                if(bz.flag==true){
                    //包子铺调用wait方法进入等待状态
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                //被唤醒之后执行,包子铺生产包子
                //增加一些趣味性:交替生产两种包子
                if(count%2==0){
                    //生产 薄皮三鲜馅包子
                    bz.pi = "薄皮";
                    bz.xian = "三鲜馅";
                }else{
                    //生产 冰皮 牛肉大葱陷
                    bz.pi = "冰皮";
                    bz.xian = "牛肉大葱陷";

                }
                count++;
                System.out.println("包子铺正在生产:"+bz.pi+bz.xian+"包子");
                //生产包子需要3秒钟
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //包子铺生产好了包子
                //修改包子的状态为true有
                bz.flag = true;
                //唤醒吃货线程,让吃货线程吃包子
                bz.notify();
                System.out.println("包子铺已经生产好了:"+bz.pi+bz.xian+"包子,吃货可以开始吃了");
            }
        }
    }
}

public class BaoZiPu extends Thread

/*
    消费者(吃货)类:是一个线程类,可以继承Thread
    设置线程任务(run):吃包子
    对包子的状态进行判断
    false:没有包子
        吃货调用wait方法进入等待状态
    true:有包子
        吃货吃包子
        吃货吃完包子
        修改包子的状态为false没有
        吃货唤醒包子铺线程,生产包子
 */
public class ChiHuo extends Thread{
    //1.需要在成员位置创建一个包子变量
    private BaoZi bz;

    //2.使用带参数构造方法,为这个包子变量赋值
    public ChiHuo(BaoZi bz) {
        this.bz = bz;
    }
    //设置线程任务(run):吃包子
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让吃货一直吃包子
        while (true){
            //必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
            synchronized (bz){
                //对包子的状态进行判断
                if(bz.flag==false){
                    //吃货调用wait方法进入等待状态
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                //被唤醒之后执行的代码,吃包子
                System.out.println("吃货正在吃:"+bz.pi+bz.xian+"的包子");
                //吃货吃完包子
                //修改包子的状态为false没有
                bz.flag = false;
                //吃货唤醒包子铺线程,生产包子
                bz.notify();
                System.out.println("吃货已经把:"+bz.pi+bz.xian+"的包子吃完了,包子铺开始生产包子");
                System.out.println("----------------------------------------------------");
            }
        }
    }
}

public class ChiHuo extends Thread

/*
    测试类:
    包含main方法,程序执行的入口,启动程序
    创建包子对象;
    创建包子铺线程,开启,生产包子;
    创建吃货线程,开启,吃包子;
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建包子对象;
        BaoZi bz =new BaoZi();
        //创建包子铺线程,开启,生产包子;
        new BaoZiPu(bz).start();
        //创建吃货线程,开启,吃包子;
        new ChiHuo(bz).start();
    }
}

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第二章 线程池

2.1 线程池思想概述

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。

2.2 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：

合理利用线程池能够带来三个好处：

1. 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。
2. 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。
3. 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)。

package com.itheima.demo02.ThreadPool;
/*
    2.创建一个类,实现Runnable接口,重写run方法,设置线程任务
 */
public class RunnableImpl implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"创建了一个新的线程执行");
    }
}

public class RunnableImpl implements Runnable

08_线程池的代码实现

package com.itheima.demo02.ThreadPool;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/*
    线程池:JDK1.5之后提供的
    java.util.concurrent.Executors:线程池的工厂类,用来生成线程池
    Executors类中的静态方法:
        static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) 创建一个可重用固定线程数的线程池
        参数:
            int nThreads:创建线程池中包含的线程数量
        返回值:
            ExecutorService接口,返回的是ExecutorService接口的实现类对象,我们可以使用ExecutorService接口接收(面向接口编程)
    java.util.concurrent.ExecutorService:线程池接口
        用来从线程池中获取线程,调用start方法,执行线程任务
            submit(Runnable task) 提交一个 Runnable 任务用于执行
        关闭/销毁线程池的方法
            void shutdown()
    线程池的使用步骤:
        1.使用线程池的工厂类Executors里边提供的静态方法newFixedThreadPool生产一个指定线程数量的线程池
        2.创建一个类,实现Runnable接口,重写run方法,设置线程任务
        3.调用ExecutorService中的方法submit,传递线程任务(实现类),开启线程,执行run方法
        4.调用ExecutorService中的方法shutdown销毁线程池(不建议执行)
 */
public class Demo01ThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        //1.使用线程池的工厂类Executors里边提供的静态方法newFixedThreadPool生产一个指定线程数量的线程池
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(2);
        //3.调用ExecutorService中的方法submit,传递线程任务(实现类),开启线程,执行run方法
        es.submit(new RunnableImpl());//pool-1-thread-1创建了一个新的线程执行
        //线程池会一直开启,使用完了线程,会自动把线程归还给线程池,线程可以继续使用
        es.submit(new RunnableImpl());//pool-1-thread-1创建了一个新的线程执行
        es.submit(new RunnableImpl());//pool-1-thread-2创建了一个新的线程执行

        //4.调用ExecutorService中的方法shutdown销毁线程池(不建议执行)
        es.shutdown();

        es.submit(new RunnableImpl());//抛异常,线程池都没有了,就不能获取线程了
    }

}

public class Demo01ThreadPool

2.3 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。

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：

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)。

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();
    }
}

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第三章 Lambda表达式

3.1 函数式编程思想概述

面向对象的思想:

​  做一件事情,找一个能解决这个事情的对象,调用对象的方法,完成事情。

函数式编程思想:

​  只要能获取到结果,谁去做的,怎么做的都不重要,重视的是结果,不重视过程。

3.2 冗余的Runnable代码

传统写法

当需要启动一个线程去完成任务时，通常会通过java.lang.Runnable接口来定义任务内容，并使用java.lang.Thread类来启动该线程。代码如下：

public class Demo01Runnable {
    public static void main(String[] args) {
        // 匿名内部类
        Runnable task = new Runnable() {
            @Override
            public void run() { // 覆盖重写抽象方法
                System.out.println("多线程任务执行！");
            }
        };
        new Thread(task).start(); // 启动线程
    }
}

本着“一切皆对象”的思想，这种做法是无可厚非的：首先创建一个Runnable接口的匿名内部类对象来指定任务内容，再将其交给一个线程来启动。

代码分析

对于Runnable的匿名内部类用法，可以分析出几点内容：

• Thread类需要Runnable接口作为参数，其中的抽象run方法是用来指定线程任务内容的核心；

• 为了指定run的方法体，不得不需要Runnable接口的实现类；

• 为了省去定义一个RunnableImpl实现类的麻烦，不得不使用匿名内部类；

• 必须覆盖重写抽象run方法，所以方法名称、方法参数、方法返回值不得不再写一遍，且不能写错；

• 而实际上，似乎只有方法体才是关键所在。

3.3 编程思想转换

做什么，而不是怎么做

我们真的希望创建一个匿名内部类对象吗？不。我们只是为了做这件事情而不得不创建一个对象。我们真正希望做的事情是：将run方法体内的代码传递给Thread类知晓。

2014年3月Oracle所发布的Java 8（JDK 1.8）中，加入了Lambda表达式的重量级新特性，为我们打开了新世界的大门。

3.4 体验Lambda的更优写法

3.5 回顾匿名内部类

3.6 Lambda标准格式

/*
    Lambda表达式的标准格式:
        由三部分组成:
            a.一些参数
            b.一个箭头
            c.一段代码
        格式:
            (参数列表) -> {一些重写方法的代码};
        解释说明格式:
            ():接口中抽象方法的参数列表,没有参数,就空着;有参数就写出参数,多个参数使用逗号分隔
            ->:传递的意思,把参数传递给方法体{}
            {}:重写接口的抽象方法的方法体
 */
public class Demo02Lambda {
    public static void main(String[] args) {
        //使用匿名内部类的方式,实现多线程
        new Thread(new Runnable(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 新线程创建了");
            }
        }).start();

        //使用Lambda表达式,实现多线程
        new Thread(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 新线程创建了");
            }
        ).start();

        //优化省略Lambda
        new Thread(()->System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 新线程创建了")).start();
    }
}

同样的语义体现在Lambda语法中，要更加简单：

() -> System.out.println("多线程任务执行！")

• 前面的一对小括号即run方法的参数（无），代表不需要任何条件；

• 中间的一个箭头代表将前面的参数传递给后面的代码；

• 后面的输出语句即业务逻辑代码。

3.7 练习：使用Lambda标准格式（无参无返回）

3.8 Lambda的参数和返回值

3.9 练习：使用Lambda标准格式（有参有返回）

题目

给定一个计算器Calculator接口，内含抽象方法calc可以将两个int数字相加得到和值：

/*
    给定一个计算器Calculator接口，内含抽象方法calc可以将两个int数字相加得到和值
 */
public interface Calculator {
    //定义一个计算两个int整数和的方法并返回结果
    public abstract int calc(int a,int b);
}

在下面的代码中，请使用Lambda的标准格式调用invokeCalc方法，完成120和130的相加计算：

/*
    Lambda表达式有参数有返回值的练习
    需求:
        给定一个计算器Calculator接口，内含抽象方法calc可以将两个int数字相加得到和值
        使用Lambda的标准格式调用invokeCalc方法，完成120和130的相加计算
 */
public class Demo01Calculator {
    public static void main(String[] args) {
        //调用invokeCalc方法,方法的参数是一个接口,可以使用匿名内部类
        invokeCalc(10, 20, new Calculator() {
            @Override
            public int calc(int a, int b) {
                return a+b;
            }
        });

        //使用Lambda表达式简化匿名内部类的书写
        invokeCalc(120,130,(int a,int b)->{
            return a + b;
        });

        //优化省略Lambda
        invokeCalc(120,130,(a,b)-> a + b);
    }

    /*
        定义一个方法
        参数传递两个int类型的整数
        参数传递Calculator接口
        方法内部调用Calculator中的方法calc计算两个整数的和
     */
    public static void invokeCalc(int a,int b,Calculator c){
        int sum = c.calc(a,b);
        System.out.println(sum);
    }
}

3.10 Lambda省略格式

省略规则

在Lambda标准格式的基础上，使用省略写法的规则为：

1. 小括号内参数的类型可以省略；

2. 如果小括号内有且仅有一个参，则小括号可以省略；

3. 如果大括号内有且仅有一个语句，则无论是否有返回值，都可以省略大括号、return关键字及语句分号。

3.12 Lambda的使用前提

Lambda的语法非常简洁，完全没有面向对象复杂的束缚。但是使用时有几个问题需要特别注意：

1. 使用Lambda必须具有接口，且要求接口中有且仅有一个抽象方法。
   无论是JDK内置的Runnable、Comparator接口还是自定义的接口，只有当接口中的抽象方法存在且唯一时，才可以使用Lambda。
2. 使用Lambda必须具有上下文推断。
   也就是方法的参数或局部变量类型必须为Lambda对应的接口类型，才能使用Lambda作为该接口的实例。

备注：有且仅有一个抽象方法的接口，称为“函数式接口”。

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参考资料：

ExecutorService 接口简介

为什么java的接口的方法是public abstract修饰？为什么属性是public static final 修饰？

static 关键字修饰成员变量和成员方法

end