Java复习——多线程与并发库

开启一个线程

实现一个线程的方式有两种：继承Thread类。实现Runnable接口（也存在说三种的情况，第三种是使用线程并发库中的线程池创建一个线程）。这两种方法都需要重写Run方法，具体的线程逻辑代码写在Run方法中。其实Thread类就实现了Runnable接口，并且添加了一些常用的方法。并没有什么说法是使用哪种方式存在效率高低的问题，推荐使用实现Runnable接口的方式，因为更加面向对象，而且实现一个接口比继承一个类更灵活。我们可以使用匿名内部类的方式很方便的开启一个线程（使用Tread类的start方法开启一个线程）：

Thread :

    new Thread(){
        public void run() {

        };
    }.start();

Runnable :

    new Thread(new Runnable() {

        @Override
        public void run() {

        }
    }).start();

传统线程同步锁

当多个线程操作同一个共享资源会存在线程安全问题，我们需要使用同步来进行控制，一个线程在操作的时候，其他的线程就不允许再操作了，当这个线程运行完了或是释放了线程锁，其他线程才可以运行。Java中使用 synchronized 关键字进行线程同步互斥：

synchronized（线程锁）{

}

线程锁可以是任何对象，所以wait，notify等方法被设计成为Object的方法。

值得注意的是：多个线程使用的线程锁一定要是相同的对象，不然是达不到同步的作用，特别是使用String对象作为线程锁的时候，需要好好想想到底是不是同一个String对象。

synchronize关键字还可以加在方法名上，那么在方法名上使用的时候线程锁使用的是哪个对象呢？ 没错，就是this

wait和sleep方法

这两个方法都有让线程暂停的效果，但是wait是Object的方法，sleep方法是Thread类的方法。这两个方法都是需要在同步代码块中使用，但是使用wait会让线程放弃线程锁，sleep方法不会放弃线程锁，其他的线程还是会阻塞。使用wait的线程放弃线程锁之后就会进入等待队列中，所以不要忘记还有使用notify或notifyAll来唤醒在等待队列中的线程重新运行（这就是线程之间通信）。下面给出一个使用标志位+wait+notify来等待的例子：

    private boolean tage=true;    //标志位

    public synchronized void sub(int i){

        while(!tage){        //如果不是本线程运行则等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //下面可以写线程运行的操作代码

        tage=false;            //调整标志
        this.notify();         //通知(唤醒)下面main方法中线程

    }

    public synchronized void main(int i){

        while(tage){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //下面可以写线程运行的操作代码

        tage=true;
        this.notify();

    }

这是一个两个线程进行通信的例子，所以在sub方法的最后我们可以知道接下来会唤醒的线程是名为main方法中的线程，实际上notify唤醒的线程是由JVM或操作系统来决定的，我们并不知道多个在等待队列中等待的线程哪个会被唤醒。

需求：子线程循环10次，切换到主线程循环100次，再切换回子线程，如此往复50次

public class ThreadCommuncation {

    /**
     * 子线程循环10次，切换到主线程循环100次，再切换回子线程，如此往复50次
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

        Business business=new Business();

        //子线程
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                //往复50次
                for(int i=1;i<=50;i++){
                    business.sub(i);
                }
            }
        }).start();

        //主线程往复50次
        for(int i=1;i<=50;i++){
            business.main(i);
        }

    }

}

class Business{

    private boolean tage=true;   //标志位

    public synchronized void sub(int i){
        //子线程循环10次后切换
        while(!tage){        //如果不是本线程运行则等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        for(int j=1;j<=10;j++){
            System.out.println("子线程第"+i+"趟的第"+j+"次循环");
        }

        tage=false;            //调整标志
        this.notify();         //通知(唤醒)主线程

    }

    public synchronized void main(int i){
        //主线程循环100次后切换
        while(tage){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        for(int j=1;j<=100;j++){
            System.out.println("主线程第"+i+"趟的第"+j+"次循环");
        }

        tage=true;
        this.notify();

    }

}

传统线程模型中的定时器

在传统线程模型中我们使用util包下的Timer类中的 schedule方法 来实现定时任务：

    new Timer().schedule(new TimerTask() {

        @Override
        public void run() {

        }
    }, 1000);

run方法中就是需要定时器去执行什么样的工作，后一个参数表示1秒后才开始运行，schedule方法有多个重载方法，可以实现不同定时需求

同一线程内共享数据（线程局部变量）

一个基本的思路是：将需要共享的数据存在Map中，我们就以线程为key，需要共享的数据为value保存：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Random;

/**
 * 同一线程范围内共享变量
 * @author LZ
 *
 */
public class ThreadScopeSharaData {

    private static Map<Thread,Integer> threadData=new HashMap<Thread,Integer>();

    public static void main(String[] args) {
        //开启两个线程
        for(int i=0;i<2;i++){
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    //每个线程共享的数据
                    int data=new Random().nextInt(10);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" put data "+data);
                    threadData.put(Thread.currentThread(), data);
                    new A().get();
                    new B().get();
                }
            }).start();
        }
    }

    static class A{
        public void get(){
            int data=threadData.get(Thread.currentThread());
            System.out.println("A "+Thread.currentThread().getName()+" get data "+data);
        }
    }

    static class B{
        public void get(){
            int data=threadData.get(Thread.currentThread());
            System.out.println("B "+Thread.currentThread().getName()+" get data "+data);
        }
    }

}

开启了两个线程，这两个线程中都调用A，B类中的方法输出共享数据data，会发现每个线程中data的值是一样的，这就完成了线程内共享数据。

注意：但是hashmap不是线程安全的，可能会某些情况下报异常

所以推荐使用ThreadLocal（线程局部变量）类来共享线程类的数据，它的用法与map类似：

import java.util.Random;

/**
 * 同一线程范围内共享变量(使用Threadlocal)
 * @author LZ
 *
 */
public class ThreadLocalTest {

    //private static Map<Thread,Integer> threadData=new HashMap<Thread,Integer>();

    public static void main(String[] args) {
        //开启两个线程
        for(int i=0;i<2;i++){
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    //每个线程共享的数据
                    int data=new Random().nextInt(10);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" put data "+data);
                    //threadData.put(Thread.currentThread(), data);
                    MyThreadScopDate.getInstance().setName("name"+data);
                    MyThreadScopDate.getInstance().setAge("age"+data);
                    new A().get();
                    new B().get();
                }
            }).start();
        }
    }

    static class A{
        public void get(){
            //int data=threadData.get(Thread.currentThread());
            MyThreadScopDate myDate = MyThreadScopDate.getInstance();
            System.out.println("A "+Thread.currentThread().getName()+" get Mydate "+myDate.getName()+"\t"+myDate.getAge());
        }
    }

    static class B{
        public void get(){
            //int data=threadData.get(Thread.currentThread());
            MyThreadScopDate myDate = MyThreadScopDate.getInstance();
            System.out.println("B "+Thread.currentThread().getName()+" get Mydate "+myDate.getName()+"\t"+myDate.getAge());
        }
    }

}

/**
 * 将Threadlocal放入MyThreadScopDate类作为属性，使用单例模式创建该类的对象
 * @author LZ
 *
 */
class MyThreadScopDate{
    private static ThreadLocal<MyThreadScopDate> map=new ThreadLocal<MyThreadScopDate>();

    private MyThreadScopDate(){}

    public static MyThreadScopDate getInstance(){
        MyThreadScopDate myThreadScopDate=map.get();
        if(myThreadScopDate==null){
            myThreadScopDate=new MyThreadScopDate();
            map.set(myThreadScopDate);
        }
        return myThreadScopDate;
    }

    private String name;
    private String age;

    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(String age) {
        this.age = age;
    }

}

并发库

在JDK5之后添加了线程的并发库，用于帮助我们操作线程，并发库中的东西大多都是java.util.concurrent 包下的，下来简单记录一下并发库中常见的类及其使用方法

Lock锁

这个Lock的作用和synchronized关键字作用一样，但是比关键字更加的面向对象，就是不能再用在方法名上。Lock是一个接口，需要使用其实现类，用法如下：

    class Inner{
        //实例化锁(Lock是一个接口,使用ReentrantLock实现类,
        //还有ReadLock读锁,对资源读时使用。writeLock写锁，写资源时使用)
        Lock lock=new ReentrantLock();
        public void output(String name){
            lock.lock();        //上锁
            try {
                int length=name.length();
                for(int i=0;i<length;i++){
                    System.out.print(name.charAt(i));
                }
                System.out.println();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();   //解锁
            }

        }

    }

Condition

使用Condition接口来完成线程之间的通信，实例化需要使用Lock对象的newCondition()方法。

需求：线程1循环10次，切换到线程2循环20次，再切换回主线程循环100次，如此往复10次

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ThreadConditionCommuncation {

    /**
     * 使用Condition进行线程通信方式实现
     * 线程1循环10次，切换到线程2循环20次，再切换回主线程循环100次，如此往复10次
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

        Business business=new Business();

        //子线程1
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                //往复10次
                for(int i=1;i<=10;i++){
                    business.sub(i);
                }
            }
        }).start();

        //子线程2
                new Thread(new Runnable() {

                    @Override
                    public void run() {
                        //往复10次
                        for(int i=1;i<=10;i++){
                            business.sub2(i);
                        }
                    }
                }).start();

        //主线程往复10次
        for(int i=1;i<=10;i++){
            business.main(i);
        }

    }

    static class Business{

        private Lock lock=new ReentrantLock();

        //使用condition实现线程之间通信(实例化3个condition对应3个线程)
        Condition condition1=lock.newCondition();

        Condition condition2=lock.newCondition();

        Condition condition3=lock.newCondition();

        private int tage=1;  //线程1开始执行

        public  void sub(int i){
            lock.lock();
            try {
                //子线程循环10次后切换
                while(tage!=1){       //如果不是线程1等待
                    try {
                        //this.wait();
                        condition1.await();  //使用Condition的await替代Object的wait
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                for(int j=1;j<=10;j++){
                    System.out.println("子线程1第"+i+"趟的第"+j+"次循环");
                }

//            tage=false;
//            this.notify();

            tage=2;      //标志为2
            condition2.signal();  //线程2唤醒

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }

        }

        public  void sub2(int i){
            lock.lock();
            try {
                //子线程2循环20次后切换
                while(tage!=2){
                    try {
                        //this.wait();
                        condition2.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                for(int j=1;j<=20;j++){
                    System.out.println("子线程2第"+i+"趟的第"+j+"次循环");
                }

//                tage=false;
//                this.notify();

                tage=3;
                condition3.signal();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }

        }

        public void main(int i){
            lock.lock();
            try {
                //主线程循环100次后切换
                while(tage!=3){
                    try {
                        //this.wait();
                        condition3.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                for(int j=1;j<=100;j++){
                    System.out.println("主线程第"+i+"趟的第"+j+"次循环");
                }

//            tage=true;
//            this.notify();

            tage=1;
            condition1.signal();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }

        }

    }

}

线程池

使用线程池将一些线程放在一个池里，使用就从池中取，用完再放回池中,我们可以一直给线程池任务，而不用太关心使用哪个线程来完成这些任务，因为线程池自己可以处理。线程池使用Executors类中的方法来实例化，有三种线程池的类型：

1.(FixedThreadPool)固定大小的线程池

2.(CachedThreadPool)带缓存的线程池(池中线程个数不一定,不够用时会自动创建)

3.(SingleThreadExecutor)单一线程池(保证线程池中只有一个线程,如果这个线程被销毁,则会在创建一个新的线程)

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

/**
 * JDK5中的线程池
 * @author LZ
 *
 */
public class ThreadPoolTest {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);  //固定大小的线程池
        //ExecutorService threadPool =Executors.newCachedThreadPool();         //带缓存的线程池(池中线程个数不一定,需要则自动创建)
        //ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();     //单一线程池(保证线程池中只有一个线程,如果这个线程被销毁,则会在创建一个新的线程)
        for(int i=1;i<=10;i++){    //10个任务
            final int tage=i;
            threadPool.execute(new Runnable() {      //给线程池任务
                @Override
                public void run() {
                    //每个任务要求线程循环10次
                    for(int j=1;j<=10;j++){
                        try {
                            Thread.sleep(50);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is loopingt of "+j+" the task is "+tage);
                    }
                    //threadPool.shutdown();  //任务完成销毁线程池
                    //threadPool.shutdownNow();  //立刻销毁线程池
                }
            });
        }
    }

}

我们使用线程池的 execute 方法来完成任务，这个方法没有返回结果，线程池还有一个可以返回结果的方法——submit方法

Callable和Future

我们在上面说线程池运行可以有个返回结果，使用的是submit方法，Callable就是这个方法需要的参数类型，需要重写Callable中的call方法；返回的结果被封装到Future中，使用Future的get方法可以取到结果：

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.CompletionService;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorCompletionService;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class CallableAndFuture {

    public static void main(String[] args) {
        //线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        //返回的结果封装到Future对象中
        Future<String> future = threadPool.submit(new Callable<String>() {   //使用submit方法提交可以得到结果(不需要得到结果的可以使用execute方法)

            @Override
            public String call() throws Exception {
                Thread.sleep(2000);
                return "Hello";
            }
        });

        System.out.println("等待结果");

        try {
            //使用Future对象的get方法得到返回值
            System.out.println("拿到结果:"+future.get());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } 

    }

}

当然我们还可以使用一组Callable任务，使用CompletionService来提交一组Callable任务：

        ExecutorService threadPool2 = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //CompletionService用于提交一组Callable任务
        CompletionService<Integer> completionService=new ExecutorCompletionService<Integer>(threadPool2);
        for(int i=1;i<=10;i++){
            final int sta=i;
            completionService.submit(new Callable<Integer>() {

                @Override
                public Integer call() throws Exception {
                    return sta;
                }
            });
        }

        for(int i=0;i<10;i++){
            try {
                //task方法用于返回已完成的第一个Callable任务的结果(就是Future),在使用Future的get方法得到值
                System.out.println(completionService.take().get());
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

可阻塞的队列

BlockingQueue接口用于实现一个可阻塞的队列，主要用于生产者-使用者队列。它的实现类有ArrayBlockingQueue，SynchronousQueue等等。它的put方法用于向队列中存数据，take方法用于取数据。

需求1：线程1循环10次，切换回主线程循环100次，如此往复10次

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class BlockingQueueCommuncation2 {

    /**
     * 使用阻塞队列(BlockingQueue)实现
     * 线程1循环10次，切换回主线程循环100次，如此往复10次
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

        Business business=new Business();

        //子线程1
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                //往复10次
                for(int i=1;i<=10;i++){
                    business.sub(i);
                }
            }
        }).start();

        //主线程往复10次
        for(int i=1;i<=10;i++){
            business.main(i);
        }

    }

    static class Business{

        //使用两个大小为1的阻塞队列
        BlockingQueue<Integer> queue1=new ArrayBlockingQueue<>(1);
        BlockingQueue<Integer> queue2=new ArrayBlockingQueue<>(1);

        //下面是匿名构造块(优先于构造方法,实例化几个对象就执行几次)
        {
            try {
                queue2.put(1);  //队列2放数据
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        public  void sub(int i){
//            lock.lock();
//            try {
//                //子线程循环10次后切换
//                while(tage!=1){       //如果不是线程1等待
//                    try {
//                        //this.wait();
//                    } catch (InterruptedException e) {
//                        e.printStackTrace();
//                    }
//                }

            try {
                queue1.put(1);  //队列1放数据
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

                for(int j=1;j<=10;j++){
                    System.out.println("子线程第"+i+"趟的第"+j+"次循环");
                }

            try {
                queue2.take();  //队列2取数据
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

//            tage=false;
//            this.notify();
//
//            } catch (Exception e) {
//                e.printStackTrace();
//            }finally {
//                lock.unlock();
//            }

        }

        public void main(int i){
//            lock.lock();
//            try {
//                //主线程循环100次后切换
//                while(tage!=3){
//                    try {
//                        //this.wait();
//                    } catch (InterruptedException e) {
//                        e.printStackTrace();
//                    }
//                }

            try {
                queue2.put(1);      //队列2放数据
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

                for(int j=1;j<=100;j++){
                    System.out.println("主线程第"+i+"趟的第"+j+"次循环");
                }

                try {
                    queue1.take();   //队列1取数据
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

//            tage=true;
//            this.notify();

//
//            } catch (Exception e) {
//                e.printStackTrace();
//            }finally {
//                lock.unlock();
//            }

        }

    }

}

需求2：现有的程序代码模拟产生了16个日志对象，并且需要运行16秒才能打印完这些日志，请在程序中增加4个线程去调用parseLog()方法来分头打印这16个日志对象，程序只需要运行4秒即可打印完这些日志对象

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

/**
 *  现有的程序代码模拟产生了16个日志对象，
 *  并且需要运行16秒才能打印完这些日志，
 *  请在程序中增加4个线程去调用parseLog()方法来分头打印这16个日志对象，
 *  程序只需要运行4秒即可打印完这些日志对象
 * @author LZ
 *
 */
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {

        //使用可阻塞的队列实现
        final BlockingQueue<String> queue=new ArrayBlockingQueue<String>(16);

        for(int i=0;i<4;i++){  //开4个线程
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    while(true){            //使用while不断从队列中取日志
                        try {
                            String log = queue.take();     //从队列中取日志
                            parseLog(log);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }).start();
        }

        System.out.println("begin: "+(System.currentTimeMillis()/1000));
        for(int i=0;i<16;i++){  //这行代码不能改动
            final String log=""+(i+1);  //这行代码不能改动
            //Test1.parseLog(log);
            try {
                queue.put(log);      //将日志放入队列
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }

    //parseLog方法内部的代码不能改动
    public static void parseLog(String log){
        System.out.println(log+" : "+(System.currentTimeMillis()/1000));
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

需求3：现成程序中的Test类中的代码在不断地产生数据，然后交给TestDo.doSome()方法去处理，就好像生产者在不断地产生数据，消费者在不断消费数据。请将程序改造成有10个线程来消费生成者产生的数据，这些消费者都调用TestDo.doSome()方法去进行处理，故每个消费者都需要一秒才能处理完，程序应保证这些消费者线程依次有序地消费数据，只有上一个消费者消费完后，下一个消费者才能消费数据，下一个消费者是谁都可以，但要保证这些消费者线程拿到的数据是有顺序的

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 现成程序中的Test类中的代码在不断地产生数据，
 * 然后交给TestDo.doSome()方法去处理，就好像生产者在不断地产生数据，消费者在不断消费数据。
 * 请将程序改造成有10个线程来消费生成者产生的数据，这些消费者都调用TestDo.doSome()方法去进行处理，
 * 故每个消费者都需要一秒才能处理完，程序应保证这些消费者线程依次有序地消费数据，
 * 只有上一个消费者消费完后，下一个消费者才能消费数据，
 * 下一个消费者是谁都可以，
 * 但要保证这些消费者线程拿到的数据是有顺序的
 * @author LZ
 *
 */
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {

        //使用同步库中同步队列
        SynchronousQueue<String> queue=new SynchronousQueue<>();

        //使用Lock
        Lock lock=new ReentrantLock();

        for(int i=0;i<10;i++){  //开10个线程
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    try {
                        //将线程阻塞
                        lock.lock();
                        String input=queue.take();
                        String output = TestDo.doSome(input);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ":" + output);
                        //释放
                        lock.unlock();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }

        System.out.println("begin:"+(System.currentTimeMillis()/1000));
        for(int i=0;i<10;i++){  //这行不能改动
            String input = i+"";  //这行不能改动
//            String output = TestDo.doSome(input);
//            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ":" + output);

            try {
                queue.put(input);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
}

//不能改动此TestDo类
    class TestDo {
        public static String doSome(String input){

            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            String output = input + ":"+ (System.currentTimeMillis() / 1000);
            return output;
        }
    }

线程安全的集合

我们知道常用的ArrayList,HashSet,HashMap都是线程不安全的，JDK5的并发库中提供了实现线程安全的集合

如：CopyOnWriteArrayList等等。我们在使用Iterator或foreach遍历集合时不能对集合进行添加，删除，修改的操作，但是使用线程安全的集合就可以使用Iterator迭代器进行这些操作了。

ps ：或者不使用线程安全的集合，使用ListIterator就可以对List集合在遍历时操作；又或者将线程安全的集合和Listiterator结合使用

并发库中的东西不止我罗列的这些，还有一些同步器，计数器等等的，就不在这叙述了