Java 基础 面试 多线程

1.多线程

1.1 线程（Thread）

线程时一个程序内部的一条执行流程，java的main方法就是由一条默认的主线程执行

1.2 多线程

多线程是指从软硬件上实现的多条执行流程的技术（多条线程由CPU负责调度执行）

许多平台都离不开多线程，因为多线程可以实现并发技术，只有通过多线程，才可能实现多人同时订票等功能，一个人就代表着一个线程

2. 创建多线程

Java是通过java.lang.Thread类的对象来代表线程的

2.1 线程创建方式一：继承Thread类

2.1.1 创建步骤

• 定义一个子类继承线程类java.lang.Thread，重写run( )方法，方法体交给另一个线程执行
• 创建子类对象
• 调用子类对象的start( )方法启动线程（通过start( )方法启动，cpu会自动分配线程执行run( )方法）

//1.子类MyThread继承Thread类
public class MyThread extends Thread{
    //2.重写run方法，run方法的方法体就是新的线程执行体
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("MyThread执行" + i);
        }
    }
}

public class Test1 {
    //main方法默认就是由一个主线程负责执行
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建一个子类对象即新的线程对象
        MyThread myThread = new MyThread();
        //4.调用start方法，启动新线程，执行run方法
        myThread.start();

        //5.主线程中，通过for循环执行主线程的执行体
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("main线程执行" + i);
        }
    }
}

2.1.2 优缺点

优点：编码简单

缺点：java是单继承，线程类已经继承了Thread类，就无法继承其他类，不利于功能的扩展

2.1.3 注意事项

1. 启动线程必须调用start方法，不能调用run方法。直接调用run方法会被当成普通方法执行，cpu不会分配新的线程来执行run方法中的方法体，相当于还是单线程。
2. 不能把主线程任务放在启动子线程之前，否则只有主线程任务执行完才会开启新的线程，没有意义，还是相当于单线程

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        //如果调用run方法，那么就不是启动新的线程，而是在主线程中调用run方法
        myThread.run();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("main线程执行" + i);
        };
    }
}

result：
MyThread执行0
MyThread执行1
MyThread执行2
MyThread执行3
MyThread执行4
main线程执行0
main线程执行1
main线程执行2
main线程执行3
main线程执行4
由结果可以看出变成了单线程，只有主线程负责执行

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("main线程执行" + i);
        };
        //主程序的执行体在线程开启之前，所以先执行主程序的执行体，相当于单线程
        myThread.start();
    }
}

main线程执行0
main线程执行1
main线程执行2
main线程执行3
main线程执行4
MyThread执行0
MyThread执行1
MyThread执行2
MyThread执行3
MyThread执行4

2.2 线程创建方式二：实现Runnable接口

2.2.1 创建步骤

1. 定义一个线程任务类实现Runnable接口，重写run( )方法
2. 创建任务对象
3. 将任务对象封装成Thread( )对象
4. 调用Thread线程对象的start( )方法启动线程

//1.创建一个实现了Runnable接口的类
public class MyRunnable implements Runnable{
    //2.实现类去实现Runnable中的抽象方法run()
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("子线程执行==》" + i);
        }
    }
}

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建一个任务对象
        Runnable myRunnable = new MyRunnable();
        //4.将任务对象封装成一个线程对象并调用start方法
        new Thread(myRunnable).start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("main线程执行==>" + i);
        }
    }
}

result：
子线程执行==》0
main线程执行==>0
子线程执行==》1
main线程执行==>1
子线程执行==》2
main线程执行==>2
main线程执行==>3
main线程执行==>4
子线程执行==》3
子线程执行==》4

2.2.2 优缺点

优点：任务类只是实现接口，可以继续继承其他类、实现其他接口，扩展性强

缺点：需要多创建一个Runnable对象

2.2.3 使用匿名内部类改进代码

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        //使用匿名内部类的方式创建线程
        new Thread(new Runnable(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    System.out.println("子线程1执行==>" + i);
                }
            }
        }).start();

        //使用lambda表达式创建线程
        new Thread(() ->{
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    System.out.println("子线程2执行==>" + i);
                }
            }
        ).start();

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println("main线程执行==>" + i);
        }
    }
}

2.3 线程创建方式三：实现Callable接口

2.3.1 实现步骤

• 创建任务对象
• 定义一个子类实现Callable接口，重写call方法，封装方法体和待返回数据
• 将Callable类型的对象封装成FutherTask线程任务对象
• 将FutherTask线程任务对象交给Thread对象封装
• 调用Thread线程对象的start( )方法启动线程
• 线程执行完毕后，通过FutherTask对象的get( )方法获取线程任务执行的结果

//1.创建一个实现Callable接口的实现类
public class MyCallable implements Callable<Double> {
    private int n;

    public MyCallable(int n) {
        this.n = n;
    }
    //2.重写call方法，call方法的方法体就是新的线程执行体
    @Override
    public Double call() throws Exception {
        double sum = 0;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //3.创建一个子类对象
        Callable<Double> myCallable = new MyCallable(100);
        //4.创建一个FutureTask对象，将myCallable对象作为构造参数传入
        FutureTask<Double> futureTask = new FutureTask<>(myCallable);
        //5.创建一个Thread对象，并将FutureTask对象作为构造参数传入
        new Thread(futureTask).start();
        //创建第二个线程
        FutureTask<Double> futureTask2 = new FutureTask<>(new MyCallable(200));
        new Thread(futureTask2).start();

        //6.通过FutureTask对象的get方法获取call方法的返回值
        //如果call方法没有执行完毕，get方法会阻塞等待
        Double v = futureTask.get();
        System.out.println(v);
        Double v2 = futureTask2.get();
        System.out.println(v2);
    }
}

2.3.2 优缺点

优点：

• 线程任务类只是实现接口，可以继续继承类和实现接口，扩展性强；
• 可以在线程执行完毕后去获取线程执行的结果

缺点：编码比较复杂

3.线程常用方法：

方法	说明
public void run( )	线程中要执行的方法
public void start( )	启动线程
public String getName( )	获取当前线程的名称，线程名称默认是Thread-索引
public void setName( String name )	修改线程的名称
public static Thread currentThread( )	获取当前执行的线程对象
public static void sleep( long time )	让当前执行的线程休眠多少毫秒，1000毫秒=1秒
public final void join( )	让调用当前这个方法的线程先执行完再让其他线程执行

4. 线程安全问题

4.1 线程安全问题出现的原因

• 存在多个线程在同时执行
• 同时访问一个共享资源
• 存在修改该共享资源

5. 线程同步（解决线程安全问题）

5.1 认识线程同步

解决线程安全问题的方案

5.1.1 线程同步的思想

让多个线程实现先后依次访问共享资源，这样就解决了安全问题

5.1.2 线程同步的常见方案

加锁：每次只允许一个线程加锁，加锁后才能进入访问，访问完毕后自动解锁，然后其他线程才能再加锁进来

• 同步代码块
• 同步方法
• Lock锁

5.2 三种加锁方式

5.2.1 同步代码块

作用：把访问共享资源的核心代码块上锁，以此保证线程安全

原理：每次只允许一个线程加锁后进入，执行完毕后自动解锁，其他线程才可以进来执行

注意事项 ：对于当前同时执行的线程来说，同步锁必须是同一把（同一个对象），否则会出bug，因为对于不同的线程需要识别同步锁，同步锁一致才会让一个线程加锁，否则起不到加锁的作用。

锁对象的使用规范：使用共享资源作为锁对象

1. 对于实例方法 建议使用this关键字 作为锁对象

//修改4.2.1的程序中Account类中的drawMoney( )方法，其余部分代码不变
//快捷键：ctrl+alt+t
 public void drawMoney(double drawMoney){
        String name = Thread.currentThread().getName();
     	//同步代码块
        synchronized (this) {
            if (money >= drawMoney){
                System.out.println(name + "取钱成功，吐出钞票：" + drawMoney);
                money -= drawMoney;
                System.out.println(name + "取钱后的余额为：" + money);
            }else {
                System.out.println(name + "取钱失败，余额不足！");
            }
        }
    }
/*
        小明取钱成功，吐出钞票：100000.0
        小明取钱后的余额为：0.0
        小红取钱失败，余额不足！
 */

2.对于静态方法 建议使用字节码（类名.class)对象作为锁对象

//示例
    public static void test(){
        //同步代码块
        synchronized (Account.class) {
        }
    }

5.2.2 同步方法

作用：把访问共享资源的核心方法给上锁，以此保证线程安全

底层原理（与同步代码块一致，只是同步方法锁的范围更大）

• 同步方法其实底层也是有隐式锁对象的，只是锁的范围是整个方法代码
• 如果方法是实例方法：同步方法默认用this作为锁对象
• 如果方法是静态方法：同步方法默认用类名.clss作为锁对象

//修改4.2.1的程序中Account类中的drawMoney( )方法，其余部分代码不变
//使用synchronized修饰方法，同步方法
    public synchronized void drawMoney(double drawMoney){
        String name = Thread.currentThread().getName();
        //同步代码块
        if (money >= drawMoney){
            System.out.println(name + "取钱成功，吐出钞票：" + drawMoney);
            money -= drawMoney;
            System.out.println(name + "取钱后的余额为：" + money);
        }else {
            System.out.println(name + "取钱失败，余额不足！");
        }
    }
/*
        小明取钱成功，吐出钞票：100000.0
        小明取钱后的余额为：0.0
        小红取钱失败，余额不足！
 */

5.2.3 Lock锁

• Lock锁是JDK5开始提供的一个新的锁定操作，通过它可以创建出锁对象进行加锁和解锁，更灵活、更方便、更强大。
• Lock是接口，不能直接实例化，可以采用它的实现类ReentrantLock来构建Lock锁对象。

//修改4.2.1的程序中Account类中的drawMoney( )方法，其余部分代码不变
 
	//创建锁对象
 	private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public void drawMoney(double drawMoney){
        String name = Thread.currentThread().getName();
        //使用try\cathc\finally代码块来确保锁一定会被释放,
        //否则一旦代码块中出现异常，锁就不会被释放
        try {
            //加锁
            lock.lock();
            if (money >= drawMoney){
                System.out.println(name + "取钱成功，吐出钞票：" + drawMoney);
                money -= drawMoney;
                System.out.println(name + "取钱后的余额为：" + money);
            }else {
                System.out.println(name + "取钱失败，余额不足！");
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
/*
        小明取钱成功，吐出钞票：100000.0
        小明取钱后的余额为：0.0
        小红取钱失败，余额不足！
 */

6. 线程通信（了解）

线程通信

当多个线程共同操作共享的资源时，线程间通过某种方式互相告知自己的状态，以相互协调，并避免无效的资源争夺（线程通讯的前提是必须线程安全）

线程通信的常见模型（生产者与消费者模型）

• 生产者线程负责生产数据

• 消费者线程负责消费生产者生产的数据。

Object类提供的方法	说明
void wait( )	让当前线程等待并释放所占锁，直到另一个线程调用notify( )方法或notifyA11( )方法
void notify( )	唤醒正在等待的单个线程
void notifyAll( )	唤醒正在等待的所有线程

public class Desk {
    private List<String> list=new ArrayList<>();
    public synchronized void put(){
        try {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            if(list.isEmpty()){
                list.add(name+" 做的包子");
                System.out.println(name+" 做的包子");
                Thread.sleep(1000);
            }
            this.notifyAll();
            this.wait();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    public synchronized void get(){
        try {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            if(!list.isEmpty()){
                list.clear();
                System.out.println(name+" 吃了包子");
                Thread.sleep(100);
            }
            this.notifyAll();
            this.wait();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }






}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Desk desk = new Desk(); //创建桌子对象
        //创建厨师线程
        new Thread(()->{
            while (true) {
                desk.put();
            }
        }, "厨师1").start();
        new Thread(()->{
            while (true) {
                desk.put();
            }
        }, "厨师2").start();
        new Thread(()->{
            while (true) {
                desk.put();
            }
        }, "厨师3").start();
        //创建吃货线程
        new Thread(()->{
            while (true) {
                desk.get();
            }
        }, "吃货1").start();
        new Thread(()->{
            while (true) {
                desk.get();
            }
        }, "吃货2").start();
    }
}

7. 线程池

7.1 认识线程池

7.1.1 什么是线程池

线程池就是一个可以复用线程的技术

7.1.2 不使用线程池的问题

用户每发起一个请求，后台就需要创建一个新线程来处理，下次新任务来了肯定又要创建新线程处理的，而创建新线程的开销是很大的，并且请求过多时，肯定会产生大量的线程出来，这样会严重影响系统的性能。

7.1.3 线程池的工作原理

1. 如果线程池中有三个工作线程，则每个线程都会处理任务队列中的一个任务
2. 当某个线程处理完一个任务后，该线程会继续处理任务队列中的其他任务，依次类推

7.2 创建线程池

JDK5.0起提供了代表线程池的接口：ExecutorService

7.1.1 创建线程池对象的方式一（推荐使用）

使用实现了ExecutorService接口的实现类ThreadPoolExecutor创建线程池对象

ThreadPoolExecutor构造器

//格式
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler)

//实例
public class Test{
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池方式一
        /*
           线程池中有三个核心线程
           线程池中有五个最大线程
           线程池中有（5-3=2）个临时线程
           临时线程的存活时间为8秒
           线程池中有4个任务队列
           拒绝策略为：抛出异常并丢弃任务
         */
        new ThreadPoolExecutor(3,5,8, 
                TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue<>(4), 
                Executors.defaultThreadFactory(),new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
    }
}

• 参数一：corePoolSize：指定线程池的核心线程的数量。（相当于饭店的固定服务员的数量）
• 参数二：maximumPoolSize：指定线程池的最大线程数量。（相当于饭店的固定服务员和临时员工的数量）
• 参数三：keepAliveTime：指定临时线程的存活时间。（相当于临时员工可以干多久）
• 参数四：unit：指定临时线程存活的时间单位（秒、分、时、天）
• 参数五：workQueue：指定线程池的任务队列。（相当于待招待的客人的数量）
• 参数六：threadFactory：指定线程池的线程工厂。（相当于负责招聘服务员的hr）
• 参数七：handler：指定线程池的任务拒绝策略（线程都在忙，任务队列也满了的时候，新任务来了该怎么处理）（相当于饭店的临时工和固定服务员仍然忙不过来时，应该如果对待新来的客人）

任务拒绝策略	说明
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy	丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。（默认策略）
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy	丢弃任务，但是不抛出异常（不推荐）
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy	抛弃队列中等待最久的任务然后把当前任务加入队列中
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy	由主线程负责调用任务的run( )方法从而绕过线程池直接执行

//创建Runnable任务类
public class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程==>被调用了");
        try {
            //让线程睡眠一会，从而便于模拟并发环境
            Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

public class Test{
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(3, 5, 8,
                TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(4),
                Executors.defaultThreadFactory(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
        // 创建Runnable任务实例对象
        Runnable target = new MyRunnable();
        //下面的三个任务被三个核心线程处理，不占用任务队列中的空间
        pool.execute(target);
        //该方法会在线程池中自动创建一个新线程自动处理任务，前提是线程池中有空闲线程
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
        //下面的四个任务进入任务队列等待处理
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
        //当任务队列满了并且核心线程全部被占用，会创建临时线程处理任务，
        //但是只能创建两个临时线程，因为最大线程数为5
        //下面的两个任务会被临时线程处理
        pool.execute(target);
        pool.execute(target);
//        下面的两个任务因为临时线程已经达到最大线程数，所以会根据拒绝策略进行处理
        pool.execute(target);
    }
}
/*
结果见下图
    此时由于三个核心线程被占用，四个任务也在任务队列中等待处理，两个临时线程也被占用，所以会根据拒绝策略进行任务处理
 */

7.1.2 创建线程池对象的方式二（不推荐使用）

使用Executors(线程池的工具类)调用方法返回不同特点的线程池对象

Executors是一个线程池工具类，提供了许多静态方法用于返回不同特点的线程池对象

方法名称	说明
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)	创建固定线程数量的线程池，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程替代它。
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor( )	创建只有一个线程的线程池对象，如果该线程出现异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。
public static ExecutorService newCachedThreadPool( )	线程数量随着任务增加而增加，如果线程任务执行完并且空闲了6s则会被回收掉。
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolsize)	创建一个线程池，可以实现在给定的延迟后运行任务，或者定期执行任务。

这些方法的底层，都是通过线程池的实现类ThreadPoolExecutor创建的线程池对象

缺点：大型并发系统环境中使用Executors?如果不注意可能会出现系统风险

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(内存溢出)。

2. CachedThreadPool

   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(内存溢出)。

使用线程池处理任务

ExecutorService的常用方法	说明
void execute(Runnable command)	执行Runnable任务
Future<T> submit( Callable<T> task)	执行Cal1able任务，返回未来任务对象，用于获取线程返回的结果
void shutdown( )	等全部任务执行完毕后，再关闭线程池！
List<Runnable> shutdownNow( )	立刻关闭线程池，停止正在执行的任务，并返回队列中未执行的任务

注意：一般不会关闭线程池，如果实在需要关闭，则使用void shutdown( )方法关闭

//1.创建一个实现Callable接口的实现类
public class MyCallable implements Callable<Double> {
    private int n;

    public MyCallable(int n) {
        this.n = n;
    }
    //2.重写call方法，call方法的方法体就是新的线程执行体
    @Override
    public Double call() throws Exception {
        double sum = 0;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}

public class Test3 {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //创建线程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        //创建Callable任务对象
        Callable<Double> c1 = new MyCallable(100);
        Callable<Double> c2 = new MyCallable(200);
        Callable<Double> c3 = new MyCallable(300);
        //执行任务并获取Future对象
        Future<Double> s1 = pool.submit(c1);
        Future<Double> s2 = pool.submit(c2);
        Future<Double> s3 = pool.submit(c3);
        //输出结果
        System.out.println(s1.get());
        System.out.println(s2.get());
        System.out.println(s3.get());
    }
}

8. 并发、并行、线程的生命周期

8.1 并发与并行

8.1.1 进程

• 正在运行的程序（软件）就是一个独立的进程。
• 线程是属于进程的，一个进程中可以同时运行很多个线程。
• 进程中的多个线程其实并发和并行执行的。

8.1.2 并发

进程中的线程是由CPU负责调度执行的，但CPU能同时处理线程的数量有限，为了保证全部线程都能往前执行，CPU会轮询为系统的每个线程服务，由于CPU切换的速度很快，给我们的感觉这些线程在同时执行，这就是并发。

8.1.3 并行

在同一个时刻上，同时有多个线程在被CPU调度执行。

8.2.1 Java线程的状态

• Java定义了六种状态
• 定义在Thread类的内部枚举类中

public enum State {
        NEW,
        RUNNABLE,
        BLOCKED,
        WAITING,
        TIMED_WAITING,
        TERMINATED;
    }

线程状态	说明
NEW(新建)	线程刚被创建，但是并未启动
Runnable(可运行)	线程已经调用了start( ),等待CPU调度
Blocked(锁阻塞)	线程在执行的时候未竞争到锁对象，则该线程进入Blocked状态
Waiting(无限等待)	一个线程进入Waiting状态，另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒
Timed Waiting(计时等待)	同waiting状态，有几个方法(sleep,wait)有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态。
Teminated(被终止)	因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。