【JavaEE】多线程（三）

不想成为小白菜2023-09-21 21:00

多线程（三）

续上文，多线程（二），我们已经讲了

  1. 创建线程
  2. Thread的一些重要的属性和方法

那么接下来，我们继续来体会了解多线程吧~

文章目录

线程启动 start

其实在之前的两篇文章中我，我们就见识过线程启动，也就是t.start();，其实也就是start方法。

start方法内部，实际上是调用了系统api，在系统内核创建线程。

而我们随之见识的t.run(); 也就是run方法，它只是单纯的描述了该线程要执行什么内容，是会在start创建好线程之后自动被调用的~

start与run的区别

虽然我们看起来的效果是相似的，实际上本质上的区别就是在于是否是系统内部创建出的新的线程

中断线程 interrupt

所谓中断线程，也就是任一个线程停止运行（销毁），而在Java中，要销毁/终止进程，做法是比较唯一的，就是让run方法早点结束。（不过在C++中，他是有能力直接强行终止一个正在运行的进程的，好暴力的呢🥵🥵🥵🥵，不过就会导致线程活干一半，环境会残留一些数据~）

所以我们还是就Java来看(Java生态多好~)

方法一

可以在代码中手动创建出标志位，来作为run方法执行结束的循环

很多线程，执行时间久，往往就是因为写了一个循环，循环要持续执行，所以要想让run执行结束，就是让循环尽快退出~

见以下代码：

java 复制代码 
public class Demo8 {
    private static boolean isQuit = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() ->{
           while (!isQuit){
               //此处的打印可以替换成任意的逻辑来表示线程的实际工作内容
               System.out.println("线程工作中");
               try {
                   Thread.sleep(1000);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
            System.out.println("线程工作完毕");
        });

        t.start();
        Thread.sleep(5000);

        isQuit = true;
        System.out.println("已过5s 设置 isQuit 为 true");
    }
}

这里我们是设了一个成员变量isQuit来作为标志位~

这里我们抛出一个疑问，要是我们将isQuit改成main方法内的局部变量，此时的程序是否还能完成中断操作？

java 复制代码 
public class Demo8_change {
    //private static boolean isQuit = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        boolean isQuit = false;

        Thread t = new Thread(() ->{
            while (!isQuit){
                //此处的打印可以替换成任意的逻辑来表示线程的实际工作内容
                System.out.println("线程工作中");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("线程工作完毕");
        });

        t.start();
        Thread.sleep(5000);

        isQuit = true;
        //常量变了

        System.out.println("已过 5s 设置 isQuit 为 true");
    }
}

哈哈，程序报错了

为什么呢？

这其实就是线程和主线程在读取和写入isQuit变量时没有使用同步机制，这也涉及到了lambda表达式中的一个语法规则，变量捕获。

lambda表达式里面的代码，是可以自动捕获到上层作用域涉及到的局部变量的，也就是我们上面代码中的isQuit。所谓的变量捕获，就是让lambda表达式把当前作用域中的变量在lambda内部复制了一份（此时外部是否销毁，无所谓）

而且在Java中，变量捕获语法，还有一个前提：就是必须只能捕获一个final或者实际上是final的值。

boolean isQuit = false;虽然没有使用final，但是却没有实际修改内容，他就是实际上的final~

下面举个例子再了解了解：

java 复制代码 
public class VariableCaptureExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num = 10; // 外部作用域的局部变量
        
        // 使用Lambda表达式引用外部作用域的变量
        Runnable r1 = () -> {
            System.out.println(num); // 引用外部作用域的变量
        };
        r1.run(); // 输出结果为：10

        // 使用内部类引用外部作用域的变量
        Runnable r2 = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(num); // 引用外部作用域的变量
            }
        };
        r2.run(); // 输出结果为：10
    }
}

在上述示例中，Lambda表达式和内部类都引用了外部作用域中的变量num。当Lambda表达式或内部类被创建时，变量num会被捕获并保存在生成的对象中，以供后续使用。

需要注意的是，被捕获的局部变量应当是有效的(final或事实上的final)。如果在Lambda表达式或内部类中尝试修改被捕获的变量，将会导致编译错误。例如，在上述示例中，如果尝试修改num的值，编译器就会报错。这是因为被捕获的局部变量应当保持不可变，以确保代码的一致性。

当然，此处Java的设定，并不够科学。这里的final的限制，很多时候是个比较麻烦的事情,相比之下，JS这里的设定更合适一些.lambda(不只是lambda)都是可以捕获外部的变量(JS天然就有一个作用域链)，可以保证捕获的变量是同一个变量，并且会自动的调整变量的生命周期.

方法二

调用 interrupt() 方法来通知

不过要中断进程，方法一显然不太优雅~因为它：

  1. 需要手动创建变量
  2. 当线程内部在sleep的时候，主线程修改变量，新线程内部不能及时响应

见以下例子

java 复制代码 
// 线程终止 - 优雅的方式
public class Demo9 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(()->{
           //Thread 类内部，有一个现成的标志位，可以用来判定当前的循环是否要结束
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()){
                System.out.println("线程工作中");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                     e.printStackTrace();          
                }
            }
        });
        t.start();

        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("让 t 线程终止");
        t.interrupt();
    }
}

而 t.interrupt();这个操作，就是将上述代码的Thread对象内部的标志位设置为true

同时即使线程内部出现阻塞sleep，也是可以用这个方法唤醒的~

正常来说，sleep会休眠到时间到，才能唤醒，此处给出的interrupt就可以使sleep内部触发一个异常，从而提前被唤醒

而方法一中我们自己手动定义标志位，无法实现这个效果的~

我们看看上述代码的运行效果

oh，my god~异常确实是报出来了，但是上述的线程t依然在运行，它并没有真的结束。

实际上，这是因为interrupt唤醒线程之后，同时会清除刚才设置的标志位，这样就会导致我们刚才"设置标志位"这样的效果好像没生效一样~

正式一点来说就是：因为线程在执行Thread.sleep()方法时，会抛出InterruptedException异常。当t线程抛出该异常时，catch块中的代码会被执行，并且线程的中断状态会被重置为false。因此，尽管主线程调用了t.interrupt()方法，但此时线程的中断状态为false，所以t线程可以继续正常运行。

实际上这样的设定也是有它的道理所在：

这样的设计是为了给线程处理中断的机会，通过捕获InterruptedException异常，线程可以在收到中断信号时进行必要的清理工作，并使用自定义逻辑来决定是否立即停止线程。

也就是让我们有更多的操作空间，而可操作空间的前提就是通过"异常"方式唤醒的。

因此如果希望t线程在收到中断信号后立即终止，我们可以在catch块中使用break;语句来跳出循环，以实现快速结束线程。

线程等待 join

让一个线程等待，等待另一个线程执行结束，再继续执行，本质上就是控制线程结束的顺序~

join就是实现线程等待的效果，在主线程中调用t.join();此时就是主线程等待t线程先结束。

join的工作过程：

  1. 如果t线程正在运行中，此时调用join的线程就会阻塞，一直阻塞到t线程执行结束为止
  2. 如果t线程已经执行结束了，此时调用join线程，就直接返回，不会涉及到阻塞~
java 复制代码 
public class Demo10 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println(" t 线程工作中");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        t.start();

        //让主线程来等待 t 线程执行结束
        //一旦调用 join，主线程就会触发阻塞， 此时 t 线程就会趁机完成后续的工作
        //一旦阻塞到 t 执行完毕了，join才会解除阻塞，继续执行
        System.out.println("join 开始等待");
        t.join(1000);//最好是有时间等待,不要死等
        System.out.println("join 等待结束");
    }
}
/*
join 开始等待
 t 线程工作中
 t 线程工作中
join 等待结束
 t 线程工作中
 t 线程工作中
 t 线程工作中
/*

这里举个例子：

有一天我约女神出来，19：00在学校门口碰头~~

  1. 如果我先到了，发现女神还没来，就要阻塞等待，等到女神来了之后，我俩就可以一起去🥵🥵🥵🥵了.

  2. 女神先到了.当我来到校门口的时候，虽然时间还不到19：00，但是我看到女神已经在了.此时我俩直接出发去🥵🥵🥵🥵就可以了.就不需要等待

  3. 我来了之后，等了很久，女神还没出现，我仍然继续等....join默认是"死等"，"不死不休")

一般来说，等待操作都是带有一个"超时时间"

sleep有一定的调度开销

java 复制代码 
//证明sleep(1000)实际上并不精确

public class Demo11 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        /*
        System.out.println("开始： " + System.currentTimeMillis());
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("结束： " + System.currentTimeMillis());
         */
        long beg = System.currentTimeMillis();
        Thread.sleep(1000);
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("时间：" + (end - beg) + "ms");

    }
}
//时间：1009ms

系统会按照1000ms这个时间来控制让线程休眠

但是当1000ms时间到了之后，系统会唤醒这个线程（阻塞 -> 就绪）

但是不是说这个线程就成了就绪状态，就能够立即回到cpu上运行，（因为这中间会有一个"调度"的开销）

对于windows和Linux这些系统来说，调度开销是很大的，可能会达到ms级别

线程状态

进程的状态，最核心的，一个是就绪状态，阻塞状态.（对于线程同样适用）

以线程为单位进行调度的.

在Java中，又给线程赋予了一些其他的状态

  • NEW:安排了工作，还未开始行动，Thread对象有了，start方法还没调用
  • TERMINATED:工作完成了，Thread对象还在，内核中的进程已经没了
  • RUNNABLE:可工作的.又可以分成正在工作中和即将开始工作，就绪状态（线程已经在cpu上执行了/线程正在排队等待上cpu执行）
  • TIMED_WAITING:这几个都表示排队等着其他事情，阻塞，由于sleep这种固定时间的方式产生的阻塞
  • WAITING:这几个都表示排队等着其他事情，由于wait这种不固定时间的方式产生的阻塞
  • BLOCKED:这几个都表示排队等着其他事情，由于所竞争导致的阻塞
java 复制代码 
public class Demo12 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(()->{
           while (true){
               try {
                   Thread.sleep(1000);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
        });
        // 在调用 start 之前获取状态， 此时就是 NEW 状态
        System.out.println(t.getState());
        t.start();


        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(t.getState());
            Thread.sleep(1000);
        }
        
        t.join();
        // 在线程执行之后，获取线程的状态，此时是 TERMINATED 状态
        System.out.println(t.getState());
    }
}

线程安全

所谓的线程安全 ，就是说有些代码在单个线程环境中执行，是完全正确的，但是如果是相同的代码，让其在多个线程的环境中去同时执行，此时就会出现bug，这也就是线程安全问题~

下面给出示例代码：

java 复制代码 
public class Demo14 {
    //此处定义一个 int 类型的变量
    private static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            // 对 count 变量进行自增 5w 次
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count++;
                }
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            // 对 count 变量进行自增 5w 次
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count++;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        // 如果没有这两 join ，肯定是不行的，线程还没自增完，就开始打印了，很可能打印出来的 count 就是个 0
        t1.join();
        t2.join();
        //预期结果应该是 10w
        System.out.println("count: " + count);
    }
}
//count: 52947

以上的代码就是非常典型的线程安全问题~

所以在解决这个bug'前，我们要知道count++的本质~

count++的本质上是分三步操作的，站在cpu的角度上，count++是由cpu通过三个指令来实现的：

  1. load：把数据从内存读取到cpu寄存器中
  2. add：把寄存器中的数据进行+1
  3. save:把寄存器中的数据，保存到内存中

如果是多个线程执行上述代码，由于线程之间的调度顺序，是"随机"的，就会导致在有些调度顺序下，上述的逻辑就会出现问题.

结合上述讨论，就意识到了，在多线程程序中，最困难的一点：

线程的随机调度，使两个线程执行逻辑的先后顺序，存在诸多可能.

我们必须要保证在所有可能的情况下，代码都是正确的！！

在解决这个问题之前，我们得知道产生线程安全问题的原因是什么：

线程安全问题的原因

  1. 操作系统中，线程的调度顺序是随机的（抢占性执行），这也就是万恶之源

  2. 两个线程，针对同一个变量进行修改（有些情况我们是可以通过修改代码结构来规避上述问题，但是也有很多情况是调整不了的）

  3. 修改操作，不是原子的

    此处给的count++就属于是非原子操作（先读，再修改）

    类似的，如果在一段逻辑中，需要根据一定的条件来决定是否修改，也是存在类似问题

    （假设count++是原子的，也就是说有一个cpu指令可以一次完成上述的count++三步操作）

  4. 内存可见性问题

  5. 指令重排序问题

那么知道了原因，我们就有相对应的解决方法了~

我们的思路就是：

  • 通过修改代码结构来规避上述问题，虽然也有很多情况是调整不了的
  • 想办法让count++的三步走变成原子性的

那么这里我们就选择：加锁！！！！！！！！！

最常用的方法就是synchronized关键字

synchronized

synchronized是Java中的关键字，用于实现线程的同步。它可以应用于方法或代码块上。

所以synchronized在使用的时候，我们需要搭配一个代码块{}

这样子进入{就会加锁，出}就会解锁

在已经加锁的状态中，另一个线程尝试同样加这个锁，就会产生"锁冲突/锁竞争"，后一个线程就会阻塞等待，一直等到前一个线程解锁为止~

所以这里我们给出修改后的代码：

java 复制代码 
public class Demo13 {
//此处定义一个 int 类型的变量
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object locker = new Object();

        Thread t1 = new Thread(()->{
            // 对 count 变量进行自增 5w 次
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                synchronized (locker){
                    count++;
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            // 对 count 变量进行自增 5w 次
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                synchronized (locker){
                    count++;
                }
            }
        });

//        t1.start();
//        t2.start();

        // 如果没有这两 join ，肯定是不行的，线程还没自增完，就开始打印了，很可能打印出来的 count 就是个 0
//        t1.join();
//        t2.join();

        //改进：>
        t1.start();
        t1.join();
        t2.start();
        t2.join();
        System.out.println("count: " + count);
        //100000
//在原来的代码中，t1.start()和t2.start()的顺序是固定的，不论t1和t2线程的逻辑如何，主线程会立即启动两个新线程，然后等待它们执行完毕。这种方式适用于两个线程之间没有依赖关系的情况。
//因此，改变t1.start()和t2.start()的调用顺序以及使用join()方法，可以控制线程的执行顺序和依赖关系，满足具体的业务需求。
    }
}
//count: 100000

如果两个线程是在针对同一个对象加锁，就会有锁竞争

如果不是针对同一个对象加锁，就不会有锁竞争，仍然是并发执行！

我们举个例子：

把锁当作一个小妹妹，你去表白，成功了，妹子到手了，也相当于你给妹子加锁了，这时候别的男的他想要你的小妞，他就得阻塞等待，等你们分手了，他才能接盘（排除妹子绿你的情况哈~）

但是那个男的去追别的女生，就不会受你的影响（除非你这人遍地撒花~）

如图：

至此，多线程（三）暂时讲到这里，这里暂时synchronized开了个头，接下来会继续更新，敬请期待~

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