java多线程及线程锁

概述

  • 程序（program）：为完成特定任务，用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）：程序的一次执行过程，或是正在内存中运行的应用程序。如：运行中的QQ，运行中的网易音乐播放器。

    • 每个进程都有一个独立的内存空间，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。（生命周期）
    • 程序是静态的，进程是动态的
    • 进程作为操作系统调度和分配资源的最小单位（亦是系统运行程序的基本单位），系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。
    • 现代的操作系统，大都是支持多进程的，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。

  • 线程（thread）：进程可进一步细化为线程，是程序内部的一条执行路径。一个进程中至少有一个线程。

    • 一个进程同一时间若并行执行多个线程，就是支持多线程的。

    • 线程作为CPU调度和执行的最小单位。

    • 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元，它们从同一个堆中分配对象，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。

    • 下图中，红框的蓝色区域为线程独享，黄色区域为线程共享。

在这里插入图片描述

注意：

不同的进程之间是不共享内存的。

进程之间的数据交换和通信的成本很高。

查看进程和线程

我们可以在电脑底部任务栏，右键----->打开任务管理器，可以查看当前任务的进程：

每个应用程序的运行都是一个进程、
在这里插入图片描述
一个应用程序的多次运行，就是多个进程
在这里插入图片描述
一个进程中包含多个线程

线程调度

  • 分时调度

    所有线程轮流使用 CPU 的使用权，并且平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

  • 抢占式调度

    让优先级高的线程以较大的概率优先使用 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。
    在这里插入图片描述

多线程程序的优点

**背景：**以单核CPU为例，只使用单个线程先后完成多个任务（调用多个方法），肯定比用多个线程来完成用的时间更短，为何仍需多线程呢？

多线程程序的优点：

  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. 提高计算机系统CPU的利用率

  3. 改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改

单核CPU和多核CPU

单核CPU，在一个时间单元内，只能执行一个线程的任务。例如，可以把CPU看成是医院的医生诊室，在一定时间内只能给一个病人诊断治疗。所以单核CPU就是，代码经过前面一系列的前导操作（类似于医院挂号，比如有10个窗口挂号），然后到cpu处执行时发现，就只有一个CPU（对应一个医生），大家排队执行。
这时候想要提升系统性能，只有两个办法，要么提升CPU性能（让医生看病快点），要么多加几个CPU（多整几个医生），即为多核的CPU。
问题：多核的效率是单核的倍数吗？譬如4核A53的cpu，性能是单核A53的4倍吗？理论上是，但是实际不可能，至少有两方面的损耗。

  • 一个是多个核心的其他共用资源限制。譬如，4核CPU对应的内存、cache、寄存器并没有同步扩充4倍。这就好像医院一样，1个医生换4个医生，但是做B超检查的还是一台机器，性能瓶颈就从医生转到B超检查了。
  • 另一个是多核CPU之间的协调管理损耗。譬如多个核心同时运行两个相关的任务，需要考虑任务同步，这也需要消耗额外性能。好比公司工作，一个人的时候至少不用开会浪费时间，自己跟自己商量就行了。两个人就要开会同步工作，协调分配，所以工作效率绝对不可能达到2倍。

并行与并发

  • 并行（parallel）：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。指在同一时刻，有多条指令在多个CPU上同时执行。比如：多个人同时做不同的事。

    在这里插入图片描述

  • 并发（concurrency）：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。即在一段时间内，有多条指令在单个CPU上快速轮换、交替执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。

    在这里插入图片描述

在操作系统中，启动了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行，这在单核 CPU 系统中，每一时刻只能有一个程序执行，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。

而在多核 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个CPU上，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。

线程的生命周期

线程是一个动态执行的过程，它也有一个从产生到死亡的过程。
在这里插入图片描述

新建状态

使用 new 关键字和 Thread 类或其子类建立一个线程对象后，该线程对象就处于新建状态。它保持这个状态直到程序 start() 这个线程。

就绪状态

当线程对象调用了start()方法之后，该线程就进入就绪状态。就绪状态的线程处于就绪队列中，要等待JVM里线程调度器的调度。

运行状态

如果就绪状态的线程获取 CPU 资源，就可以执行 run()，此时线程便处于运行状态。处于运行状态的线程最为复杂，它可以变为阻塞状态、就绪状态和死亡状态。

阻塞状态

如果一个线程执行了sleep（睡眠）、suspend（挂起）等方法，失去所占用资源之后，该线程就从运行状态进入阻塞状态。在睡眠时间已到或获得设备资源后可以重新进入就绪状态。可以分为三种：

等待阻塞

运行状态中的线程执行 wait() 方法，使线程进入到等待阻塞状态。

同步阻塞

线程在获取 synchronized 同步锁失败(因为同步锁被其他线程占用)。

其他阻塞

通过调用线程的 sleep() 或 join() 发出了 I/O 请求时，线程就会进入到阻塞状态。当sleep() 状态超时，join() 等待线程终止或超时，或者 I/O 处理完毕，线程重新转入就绪状态。

死亡状态

一个运行状态的线程完成任务或者其他终止条件发生时，该线程就切换到终止状态。

创建和启动线程

Java 提供了三种创建线程的方法：

通过实现 Runnable 接口；
通过继承 Thread 类本身；
通过 Callable 和 Future 创建线程。

继承Thread类创建线程

Java通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下：

  1. 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
  2. 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
  3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程
// TODO: 2024/1/1 继承Thread类 
public class ThreadDemo extends Thread{// TODO: 2024/1/1 run方法里面写线程共用的方法 @Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);}}
}

public class DemoTest {public static void main(String[] args) {// TODO: 2024/1/1 创建三个线程 ThreadDemo demoA = new ThreadDemo();demoA.setName("线程A");demoA.start();ThreadDemo demoB = new ThreadDemo();demoB.setName("线程B");demoB.start();ThreadDemo demoC = new ThreadDemo();demoC.setName("线程C");demoC.start();}
}

在这里插入图片描述

实现Runnable接口创建线程

Java有单继承的限制，当我们无法继承Thread类时，那么该如何做呢？在核心类库中提供了Runnable接口，我们可以实现Runnable接口，重写run()方法，然后再通过Thread类的对象代理启动和执行我们的线程体run()方法

步骤如下：

  1. 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。
  2. 创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target参数来创建Thread对象，该Thread对象才是真正的线程对象。
  3. 调用线程对象的start()方法，启动线程。调用Runnable接口实现类的run方法。
// TODO: 2024/1/1 实现Runnable接口
public class ThreadDemo implements Runnable{// TODO: 2024/1/1 run方法里面写线程共用的方法 @Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：正在执行！"+i);}}
}

public class DemoTest {public static void main(String[] args) {// TODO: 2024/1/1 创建三个线程 ThreadDemo thread = new ThreadDemo();Thread demoA = new Thread(thread);demoA.setName("线程A");demoA.start();Thread demoB = new Thread(thread);demoB.setName("线程B");demoB.start();Thread demoC = new Thread(thread);demoC.setName("线程C");demoC.start();}
}

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通过 Callable 和 Future 创建线程

  1. 创建 Callable 接口的实现类，并实现 call() 方法，该 call() 方法将作为线程执行体，并且有返回值。

  2. 创建 Callable 实现类的实例，使用 FutureTask 类来包装 Callable 对象，该 FutureTask 对象封装了该 Callable 对象的 call() 方法的返回值。

  3. 使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程。

  4. 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。

import java.util.concurrent.Callable;// TODO: 2024/1/1 实现Callable接口
// TODO: 2024/1/1  创建 Callable 接口的实现类，并实现 call() 方法，该 call() 方法将作为线程执行体，并且有返回值。 
public class CallableThreadTest implements Callable<Integer> {// TODO: 2024/1/1 run方法里面写线程共用的方法@Overridepublic Integer call() throws Exception {int sum = 0;for (int i = 0; i < 100; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);sum++;}return sum;}
}

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;public class DemoTest {public static void main(String[] args) {CallableThreadTest ctt = new CallableThreadTest();// TODO: 2024/1/1 使用 FutureTask 类来包装 Callable 对象，该 FutureTask 对象封装了该 Callable 对象的 call() 方法的返回值。// TODO: 2024/1/1 线程A FutureTask<Integer> fta = new FutureTask<>(ctt);// TODO: 2024/1/1 使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程。Thread threadA = new Thread(fta,"有返回值的线程A");threadA.start();try {// TODO: 2024/1/1 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。System.out.println("线程A子线程的返回值："+fta.get());} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (ExecutionException e) {throw new RuntimeException(e);}// TODO: 2024/1/1 线程B FutureTask<Integer> ftb = new FutureTask<>(ctt);Thread threadB = new Thread(ftb,"有返回值的线程B");threadB.start();try {// TODO: 2024/1/1 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。System.out.println("线程B子线程的返回值："+ftb.get());} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (ExecutionException e) {throw new RuntimeException(e);}// TODO: 2024/1/1 线程C FutureTask<Integer> ftc = new FutureTask<>(ctt);Thread threadC = new Thread(ftc,"有返回值的线程C");threadC.start();try {// TODO: 2024/1/1 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。System.out.println("线程C子线程的返回值："+ftc.get());} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (ExecutionException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

在这里插入图片描述

使用线程池创建线程

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，即执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务？
**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。
在这里插入图片描述
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
    • 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

阿里巴巴开发规范：
【强制】线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中自行显式创建线程。
说明：使用线程池的好处是减少在创建和销毁线程上所花的时间以及系统资源的开销，解决资
源不足的问题。如果不使用线程池，有可能造成系统创建大量同类线程而导致消耗完内存或者
“过度切换”的问题。
【强制】线程池不允许使用 Executors 去创建，而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式，这样
的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。
说明：Executors 返回的线程池对象的弊端如下：
（1）FixedThreadPool 和 SingleThreadPool:
允许的请求队列长度为 Integer.MAX_VALUE，可能会堆积大量的请求，从而导致 OOM。
（2）CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool:
允许的创建线程数量为 Integer.MAX_VALUE，可能会创建大量的线程，从而导致 OOM。

通过ThreadPoolExecutor 创建线程池

// TODO: 2024/1/1 实现Runnable接口
public class ThreadDemo implements Runnable{// TODO: 2024/1/1 run方法里面写线程共用的方法 @Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：正在执行！"+i);}}
}

import java.util.concurrent.*;public class DemoTest {// TODO: 2024/1/1 corePoolSize: 核心线程数为 5private static final int CORE_POOL_SIZE = 8;// TODO: 2024/1/1 maximumPoolSize ：最大线程数 10 private static final int MAX_POOL_SIZE = 10;// TODO: 2024/1/1 queueCapacity : 队列容量 100private static final int QUEUE_CAPACITY = 100;// TODO: 2024/1/1 keepAliveTime : 等待时间为 1Lprivate static final Long KEEP_ALIVE_TIME = 1L;public static void main(String[] args) {// TODO: 2024/1/1  使用阿里巴巴推荐的创建线程池的方式// TODO: 2024/1/1  通过ThreadPoolExecutor构造函数自定义参数创建ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(CORE_POOL_SIZE,MAX_POOL_SIZE,KEEP_ALIVE_TIME,TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue<>(QUEUE_CAPACITY),new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());// TODO: 2024/1/1 通过循环模拟多个线程请求for (int i = 0; i < 10; i++) {//创建WorkerThread对象（WorkerThread类实现了Runnable 接口）ThreadDemo worker = new ThreadDemo();//执行Runnableexecutor.execute(worker);}// TODO: 2024/1/1  终止线程池executor.shutdown();while (!executor.isTerminated()) {}System.out.println("Finished all threads");}
}

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线程安全问题及解决

当我们使用多个线程访问同一资源（可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等）的时候，若多个线程只有读操作，那么不会发生线程安全问题。但是如果多个线程中对资源有读和写的操作，就容易出现线程安全问题。
在这里插入图片描述

同一个资源问题和线程安全问题

案例：

火车站要卖票，我们模拟火车站的卖票过程。因为疫情期间，本次列车的座位共100个（即，只能出售100张火车票）。我们来模拟车站的售票窗口，实现多个窗口同时售票的过程。注意：不能出现错票、重票。

局部变量不能共享

示例代码：

package com.atguigu.unsafe;class Window extends Thread {public void run() {int ticket = 100;while (ticket > 0) {System.out.println(getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);ticket--;}}
}public class SaleTicketDemo1 {public static void main(String[] args) {Window w1 = new Window();Window w2 = new Window();Window w3 = new Window();w1.setName("窗口1");w2.setName("窗口2");w3.setName("窗口3");w1.start();w2.start();w3.start();}
}

结果：发现卖出300张票。

问题：局部变量是每次调用方法都是独立的，那么每个线程的run()的ticket是独立的，不是共享数据。

不同对象的实例变量不共享

package com.atguigu.unsafe;class TicketWindow extends Thread {private int ticket = 100;public void run() {while (ticket > 0) {System.out.println(getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);ticket--;}}
}public class SaleTicketDemo2 {public static void main(String[] args) {TicketWindow w1 = new TicketWindow();TicketWindow w2 = new TicketWindow();TicketWindow w3 = new TicketWindow();w1.setName("窗口1");w2.setName("窗口2");w3.setName("窗口3");w1.start();w2.start();w3.start();}
}

结果：发现卖出300张票。

问题：不同的实例对象的实例变量是独立的。

静态变量是共享的

示例代码：

package com.atguigu.unsafe;class TicketSaleThread extends Thread {private static int ticket = 100;public void run() {while (ticket > 0) {try {Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);ticket--;}}
}public class SaleTicketDemo3 {public static void main(String[] args) {TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();t1.setName("窗口1");t2.setName("窗口2");t3.setName("窗口3");t1.start();t2.start();t3.start();}
}

运行结果：

窗口1卖出一张票，票号:100
窗口2卖出一张票，票号:100
窗口3卖出一张票，票号:100
窗口3卖出一张票，票号:97
窗口1卖出一张票，票号:97
窗口2卖出一张票，票号:97
窗口1卖出一张票，票号:94
窗口3卖出一张票，票号:94
窗口2卖出一张票，票号:94
窗口2卖出一张票，票号:91
窗口1卖出一张票，票号:91
窗口3卖出一张票，票号:91
窗口3卖出一张票，票号:88
窗口1卖出一张票，票号:88
窗口2卖出一张票，票号:88
窗口3卖出一张票，票号:85
窗口1卖出一张票，票号:85
窗口2卖出一张票，票号:85
窗口3卖出一张票，票号:82
窗口1卖出一张票，票号:82
窗口2卖出一张票，票号:82
窗口2卖出一张票，票号:79
窗口3卖出一张票，票号:79
窗口1卖出一张票，票号:79
窗口3卖出一张票，票号:76
窗口1卖出一张票，票号:76
窗口2卖出一张票，票号:76
窗口1卖出一张票，票号:73
窗口2卖出一张票，票号:73
窗口3卖出一张票，票号:73
窗口2卖出一张票，票号:70
窗口1卖出一张票，票号:70
窗口3卖出一张票，票号:70
窗口2卖出一张票，票号:67
窗口3卖出一张票，票号:67
窗口1卖出一张票，票号:67
窗口1卖出一张票，票号:64
窗口3卖出一张票，票号:64
窗口2卖出一张票，票号:64
窗口2卖出一张票，票号:61
窗口3卖出一张票，票号:61
窗口1卖出一张票，票号:61
窗口1卖出一张票，票号:58
窗口2卖出一张票，票号:58
窗口3卖出一张票，票号:58
窗口2卖出一张票，票号:55
窗口1卖出一张票，票号:55
窗口3卖出一张票，票号:55
窗口3卖出一张票，票号:52
窗口1卖出一张票，票号:52
窗口2卖出一张票，票号:52
窗口2卖出一张票，票号:49
窗口1卖出一张票，票号:49
窗口3卖出一张票，票号:49
窗口2卖出一张票，票号:46
窗口3卖出一张票，票号:46
窗口1卖出一张票，票号:46
窗口2卖出一张票，票号:43
窗口3卖出一张票，票号:43
窗口1卖出一张票，票号:43
窗口3卖出一张票，票号:40
窗口1卖出一张票，票号:40
窗口2卖出一张票，票号:40
窗口2卖出一张票，票号:37
窗口3卖出一张票，票号:37
窗口1卖出一张票，票号:37
窗口2卖出一张票，票号:34
窗口1卖出一张票，票号:34
窗口3卖出一张票，票号:34
窗口3卖出一张票，票号:31
窗口2卖出一张票，票号:31
窗口1卖出一张票，票号:31
窗口1卖出一张票，票号:28
窗口2卖出一张票，票号:28
窗口3卖出一张票，票号:28
窗口2卖出一张票，票号:25
窗口1卖出一张票，票号:25
窗口3卖出一张票，票号:25
窗口2卖出一张票，票号:22
窗口3卖出一张票，票号:22
窗口1卖出一张票，票号:22
窗口3卖出一张票，票号:19
窗口1卖出一张票，票号:19
窗口2卖出一张票，票号:19
窗口2卖出一张票，票号:16
窗口3卖出一张票，票号:16
窗口1卖出一张票，票号:16
窗口2卖出一张票，票号:13
窗口1卖出一张票，票号:13
窗口3卖出一张票，票号:13
窗口2卖出一张票，票号:10
窗口1卖出一张票，票号:10
窗口3卖出一张票，票号:10
窗口3卖出一张票，票号:7
窗口1卖出一张票，票号:7
窗口2卖出一张票，票号:7
窗口3卖出一张票，票号:4
窗口1卖出一张票，票号:4
窗口2卖出一张票，票号:4
窗口3卖出一张票，票号:1
窗口2卖出一张票，票号:1
窗口1卖出一张票，票号:1

结果：发现卖出近100张票。
问题1：但是有重复票或负数票问题。
原因：线程安全问题
问题2：如果要考虑有两场电影，各卖100张票等
原因：TicketThread类的静态变量，是所有TicketThread类的对象共享

同一个对象的实例变量共享

示例代码：多个Thread线程使用同一个Runnable对象

package com.atguigu.safe;class TicketSaleRunnable implements Runnable {private int ticket = 100;public void run() {while (ticket > 0) {try {Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);ticket--;}}
}public class SaleTicketDemo4 {public static void main(String[] args) {TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");t1.start();t2.start();t3.start();}
}

结果：发现卖出近100张票。
问题：但是有重复票或负数票问题。
原因：线程安全问题

抽取资源类，共享同一个资源对象

示例代码：

package com.atguigu.unsafe;//1、编写资源类
class Ticket {private int ticket = 100;public void sale() {if (ticket > 0) {try {Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);ticket--;} else {throw new RuntimeException("没有票了");}}public int getTicket() {return ticket;}
}public class SaleTicketDemo5 {public static void main(String[] args) {//2、创建资源对象Ticket ticket = new Ticket();//3、启动多个线程操作资源类的对象Thread t1 = new Thread("窗口一") {public void run() {while (true) {ticket.sale();}}};Thread t2 = new Thread("窗口二") {public void run() {while (true) {ticket.sale();}}};Thread t3 = new Thread(new Runnable() {public void run() {ticket.sale();}}, "窗口三");t1.start();t2.start();t3.start();}
}

结果：发现卖出近100张票。
问题：但是有重复票或负数票问题。
原因：线程安全问题

同步机制解决线程安全问题

同步机制解决线程安全问题

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。
在这里插入图片描述

同步机制解决线程安全问题的原理

同步机制的原理，其实就相当于给某段代码加“锁”，任何线程想要执行这段代码，都要先获得“锁”，我们称它为同步锁。因为Java对象在堆中的数据分为分为对象头、实例变量、空白的填充。而对象头中包含：

  • Mark Word：记录了和当前对象有关的GC、锁标记等信息。
  • 指向类的指针：每一个对象需要记录它是由哪个类创建出来的。
  • 数组长度（只有数组对象才有）

哪个线程获得了“同步锁”对象之后，”同步锁“对象就会记录这个线程的ID，这样其他线程就只能等待了，除非这个线程”释放“了锁对象，其他线程才能重新获得/占用”同步锁“对象。

同步操作的思考顺序

1、如何找问题，即代码是否存在线程安全？（非常重要）

（1）明确哪些代码是多线程运行的代码
（2）明确多个线程是否有共享数据
（3）明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据

2、如何解决呢？（非常重要）

对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完，在执行过程中，其他线程不可以参与执行。
即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中

3、切记：

范围太小：不能解决安全问题
范围太大：因为一旦某个线程抢到锁，其他线程就只能等待，所以范围太大，效率会降低，不能合理利用CPU资源。

synchronized锁

同步锁对象可以是任意类型，但是必须保证竞争“同一个共享资源”的多个线程必须使用同一个“同步锁对象”。对于同步代码块来说，同步锁对象是由程序员手动指定的（很多时候也是指定为this或类名.class），但是对于同步方法来说，同步锁对象只能是默认的：

  • 静态方法：当前类的Class对象（类名.class）
  • 非静态方法：this
public class SaleTicketDemo5 {public static void main(String[] args) {Ticket ticket = new Ticket();Thread thread = new Thread(ticket,"A储户");thread.start();Thread threads = new Thread(ticket,"B储户");threads.start();}
}//1、编写资源类
class Ticket implements Runnable {private int mount = 200;@Overridepublic void run() {while (mount > 0) {saleOneTicket();}}// TODO: 2024/1/1 通过 synchronized对方法进行上锁public synchronized void saleOneTicket() {//锁对象是this，这里就是TicketSaleRunnable对象，因为上面3个线程使用同一个TicketSaleRunnable对象，所以可以if (mount >0 ) {//不加条件，相当于条件判断没有进入锁管控，线程安全问题就没有解决System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "账号余额" + mount + "元");mount--;}}
}

在这里插入图片描述

Lock(锁)

与采用synchronized相比，Lock可提供多种锁方案，更灵活、更强大。Lock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。

  • 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对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。

  • 在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。

    • ReentrantLock类实现了 Lock 接口，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。

  • Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法，如下：

    • public void lock() :加同步锁。
    • public void unlock() :释放同步锁。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Window implements Runnable {int ticket = 100;//1. 创建Lock的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void run() {while (true) {try {//2. 调动lock()，实现需共享的代码的锁定lock.lock();if (ticket > 0) {try {Thread.sleep(10);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程" + ticket--);} else {break;}} finally {//3. 调用unlock()，释放共享代码的锁定lock.unlock();}}}
}

public class ThreadLock {public static void main(String[] args) {Window m = new Window();Thread t1 = new Thread(m);Thread t2 = new Thread(m);t1.start();t2.start();}
}

在这里插入图片描述

redis分布式锁

分布式锁，即分布式系统中的锁。在单体应用中我们通过锁解决的是控制共享资源访问的问题，而分布式锁，就是解决了分布式系统中控制共享资源访问的问题。与单体应用不同的是，分布式系统中竞争共享资源的最小粒度从线程升级成了进程。

Config config = new Config();
config.useSentinelServers().addSentinelAddress("127.0.0.1:6369","127.0.0.1:6379", "127.0.0.1:6389").setMasterName("masterName").setPassword("password").setDatabase(0);RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);
RLock redLock = redissonClient.getLock("REDLOCK_KEY");try {// 尝试加锁，最多等待500ms，上锁以后10s自动解锁boolean isLock = redLock.tryLock(500, 10000, TimeUnit.MILLISECONDS);if (isLock) {//获取锁成功，执行对应的业务逻辑}
} catch (Exception e) {e.printStackTrace();
} finally {redLock.unlock();
}

案例：

package com.zxl.redis;public class MyRunnableOne implements Runnable{// TODO: 2023/12/30 此线程要执行的任务在此处定义代码。 @Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {if (i%2==1){System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "奇数" + i);}}}
}

package com.zxl.redis;import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;import java.util.concurrent.TimeUnit;public class RedisLock {public static void main(String[] args) {Config config = new Config();config.useSingleServer().setAddress("redis://175.24.186.230:6379").setDatabase(1);RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);//获取锁对象实例final String lockKey = "abc";RLock rLock = redissonClient.getLock(lockKey);try {//尝试5秒内获取锁，如果获取到了，最长60秒自动释放boolean res = rLock.tryLock(5L, 60L, TimeUnit.SECONDS);if (res) {// TODO: 2024/1/2  成功获得锁，在这里处理业务MyRunnableOne runnableOne = new MyRunnableOne();Thread thread = new Thread(runnableOne, "线程1");// TODO: 2023/12/30 设置该线程名称。thread.setName("flink");thread.start();System.out.println("获取锁成功");}} catch (Exception e) {System.out.println("获取锁失败，失败原因：" + e.getMessage());} finally {//无论如何, 最后都要解锁rLock.unlock();}//关闭客户端redissonClient.shutdown();}
}

线程的通信

线程间通信

为什么要处理线程间通信：

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通信机制，可以协调它们的工作，以此实现多线程共同操作一份数据。

比如：线程A用来生产包子的，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，此时B线程必须等到A线程完成后才能执行，那么线程A与线程B之间就需要线程通信，即—— 等待唤醒机制。

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。

在一个线程满足某个条件时，就进入等待状态（wait() / wait(time)）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒（notify()）;或可以指定wait的时间，等时间到了自动唤醒；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。

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，这时的线程状态是 WAITING 或 TIMED_WAITING。它还要等着别的线程执行一个`特别的动作`，也即“`通知（notify）`”或者等待时间到，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；
3. notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：
被通知的线程被唤醒后也不一定能立即恢复执行，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，所以它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（可运行） 状态；
  • 否则，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED（等待锁） 状态

调用wait和notify需注意的细节

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。否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常。

生产者与消费者问题

等待唤醒机制可以解决经典的“生产者与消费者”的问题。生产者与消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个（多个）共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。

生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

举例：

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；如果店中没有产品了，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。

类似的场景，比如厨师和服务员等。

生产者与消费者问题中其实隐含了两个问题：

  • 线程安全问题：因为生产者与消费者共享数据缓冲区，产生安全问题。不过这个问题可以使用同步解决。
  • 线程的协调工作问题：
    • 要解决该问题，就必须让生产者线程在缓冲区满时等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到下次消费者消耗了缓冲区中的数据的时候，通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态，重新开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者线程在缓冲区空时进入等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态。通过这样的通信机制来解决此类问题。
public class ConsumerProducerTest {public static void main(String[] args) {Clerk clerk = new Clerk();Producer p1 = new Producer(clerk);Consumer c1 = new Consumer(clerk);Consumer c2 = new Consumer(clerk);p1.setName("生产者1");c1.setName("消费者1");c2.setName("消费者2");p1.start();c1.start();c2.start();}
}//生产者
class Producer extends Thread{private Clerk clerk;public Producer(Clerk clerk){this.clerk = clerk;}@Overridepublic void run() {System.out.println("=========生产者开始生产产品========");while(true){try {Thread.sleep(40);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// TODO: 2024/1/1  通知clerk去增加产品clerk.addProduct();}}
}//消费者
class Consumer extends Thread{private Clerk clerk;public Consumer(Clerk clerk){this.clerk = clerk;}@Overridepublic void run() {System.out.println("=========消费者开始消费产品========");while(true){try {Thread.sleep(90);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// TODO: 2024/1/1 通知clerk去减少产品clerk.minusProduct();}}
}//资源类
class Clerk {// TODO: 2024/1/1  产品数量private int productNum = 0;private static final int MAX_PRODUCT = 20;private static final int MIN_PRODUCT = 1;//增加产品public synchronized void addProduct() {if(productNum < MAX_PRODUCT){productNum++;System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"生产了第" + productNum + "个产品");// TODO: 2024/1/1  唤醒消费者this.notifyAll();}else{try {// TODO: 2024/1/1  等待消费者this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}//减少产品public synchronized void minusProduct() {if(productNum >= MIN_PRODUCT){System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"消费了第" + productNum + "个产品");productNum--;// TODO: 2024/1/1  唤醒生产者this.notifyAll();}else{try {// TODO: 2024/1/1  等待生产者this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}

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