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线程之间的通信&线程池

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。 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

JavaSE

二、线程之间通信

2.1 什么是线程之间的通信

**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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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

方法名 说明
public final void wait() 在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待
public final void notify() 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程
public final void notifyAll() 唤醒在此对象监视器上等待的所有线程

  • 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。
注意事项
  • 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
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

2.5 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（消费者）
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){
                //false 没有数据就等着
                if(bz.flag == false){//没包子
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                //true 表示有数据就消费
                System.out.println("吃货正在吃"+bz.pier+bz.xianer+"包子");
                //消费完了修改标记false,表示没有数据
                bz.flag = false;
                //唤醒生产者线程
                bz.notify();
            }
        }
    }
}
包子铺线程类（生产者）
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++;
			  //生产完了修改标记为true表示有数据
                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();
    }
}
打印结果
  • 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

三、线程池

3.1 线程池思想

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。

3.2 线程池概念

概念: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)。

3.3 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：

方法名 描述
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：

3.3.1 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)。

3.3.2 代码实现

Runnable实现类

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();
    }
}

四、voliate关键字

volatile保证线程间变量的可见性，简单地说就是当线程A对变量X进行了修改后，在线程A后面执行的其他线程能看到变量X的变动，更详细地说是要符合以下两个规则：

  • 线程对变量进行修改之后，要立刻回写到主内存。
  • 线程对变量读取的时候，要从主内存中读，而不是缓存

各线程的工作内存间彼此独立、互不可见，在线程启动的时候，虚拟机为每个内存分配一块工作内存，不仅包含了线程内部定义的局部变量，也包含了线程所需要使用的共享变量(非线程内构造的对象)的副本，即为了提高执行效率。

volatile是不错的机制，但是volatile不能保证原子性。

代码演示

/**
 * volatile用于保证数据的同步，也就是可见性
 */
public class VolatileTest {
	private volatile static int num = 0;
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		new Thread(
            new Runnable(){
                public void run(){
                    while(num==0) { //此处不要编写代码

                    }
                }
            }
		) .start();
		
		Thread.sleep(1000);
		num = 1;
	}
}

五、单例设计模式

5.1 什么是单例设计模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

5.2 单例模式特点

1、单例类只能有一个实例。也就是只有一个对象
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。 写单例构造方法是要私有的
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。 在该方法中，提供一个方法，用于获取该对象

5.3 单例设计模式实现前提条件

私有构造方法
在本类的成员位置,创建出自己类对象
提供公共方法,返回创建的对象 ，该方法必须是静态的

5.4 单例模式饿汉式

/*
* 单例模式饿汉式
*/
public class Student {
	// 构造私有
	private Student() {
	}
	// 自己造一个
	// 静态方法只能访问静态成员变量，加静态
	// 为了不让外界直接访问修改这个值，加private
	private static Student s = new Student();

	// 提供公共的访问方式
	// 为了保证外界能够直接使用该方法，加静态
	public static Student getStudent() {
		return s;
	}
}

测试

/*
 * 单例模式：保证类在内存中只有一个对象。
 * 
 * 如何保证类在内存中只有一个对象呢?
 * 		A：把构造方法私有
 * 		B:在成员位置自己创建一个对象
 * 		C:通过一个公共的方法提供访问
 */
public class StudentDemo {
	public static void main(String[] args) {
		// Student s1 = new Student();
		// Student s2 = new Student();
		// System.out.println(s1 == s2); // false

		Student s1 = Student.getStudent();
		Student s2 = Student.getStudent();
		System.out.println(s1 == s2); // true

		System.out.println(s1); // null，cn.yanqi _03.Student@175078b
		System.out.println(s2);// null，cn.yanqi_03.Student@175078b
	}
}

5.5 单例模式懒汉式

/*
 * 单例模式：
 * 		饿汉式：类一加载就创建对象
 * 		懒汉式：用的时候，才去创建对象
 * 
 * 面试题：单例模式的思想是什么?请写一个代码体现。
 * 
 * 		开发：饿汉式(是不会出问题的单例模式)
 * 		面试：懒汉式(可能会出问题的单例模式)
 * 			A:懒加载(延迟加载)	
 * 			B:线程安全问题
 * 				a:是否多线程环境	是
 * 				b:是否有共享数据	是
 * 				c:是否有多条语句操作共享数据 	是
 */
public class Teacher {
	private Teacher() {
	}

	private static Teacher t = null;

	public static Teacher getTeacher() {
		if (t == null) {
			t = new Teacher();
		}
		return t;
	}
}

测试

public class TeacherDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Teacher t1 = Teacher.getTeacher();
		Teacher t2 = Teacher.getTeacher();
		System.out.println(t1 == t2);
		System.out.println(t1); // cn.yanqi_03.Teacher@175078b
		System.out.println(t2);// cn.yanqi_03.Teacher@175078b
	}
}

5.6 单例模式懒汉式安全问题

单例模式懒汉式是一种对象延迟加载，在多线程情况下会有安全隐患, 要想解决此问题,我们需要加同步代码块,进行解决

public class Teacher {
    //测试线程安全问题
    private Teacher (){
        System.out.println("懒汉式构造方法，懒汉式的线程安全问题");
    }

    private static Teacher s = null;

    public static Teacher getTeacher(){
        if(s == null){
            s = new Teacher ();
        }
        return s;
    }
}

public static void main(String[] args) {

    new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            Teacher t1= Teacher.getTeacher();
            System.out.println(t1);
        }
    },"线程A").start();

    new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            Teacher t2= Teacher.getTeacher();
            System.out.println(t2);
        }
    },"线程B").start();
    
}

解决程线安全问题

双层if判断的原因

  • 方法中加入同步锁，保证线程安全
  • 第二个线程调用方法getInstance()的时候，变量s，已经不是null，被前面的线程new过
  • 当已经有对象了，第二个线程没有必要再进入同步了，直接return返回对象即可

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