第1章：多线程1.1 多线程简介java也是支持多线程的语言。 什么是线程呢？ 在说线程之前先说一下什么是进程 进程：指当前正在执行的程序，代表一个应用程序在内存中的执行区域。 如图1.1所示。
图1.1 进程信息 看下面图1.1所示，里面是有很多的应用程序的，每个应用程序都使用一块内存区域，这个内存区域可以称为一个进程，内存区域中是需要执行代码的，具体执行代码就是线程去执行的。 注意：进程只是负责开辟内存空间的，线程才是负责执行代码逻辑的执行单元。
图1.2 进程-线程 线程：是进程中的一个执行控制单元，执行路径。 一个进程中至少有一个线程在负责控制程序的执行。 一个进程中如果只有一个执行路径，这个程序称为单线程程序。 一个进程中如果有多个执行路径时，这个程序就称为多线程程序。 单线程和多线程有什么区别呢？ 举一个火车站卖票的例子。 一个窗口卖票的时候效率就太低了，如果同时有上百个窗口卖票，这个时候效率就高了。 多线程最明显的效率就是提高执行效率。 多线程的出现可以有多条执行路径，让多部分代码可以同时执行，来提高效率。 1.2 jvm中的多线程Java中的jvm虚拟机是单线程还是多线程呢？ 如图1.3中这个例子，在执行里面的代码的时候会在堆内存中产生很多垃圾，如果是单线程处理，并且后面有很多代码的话，就可能会造成内存溢出，因为单线程是需要这个代码执行完才会去调用内存回收机制的，所以这样就不合理了。 我们想实现这样的功能，一个线程负责执行主程序，另一个线程负责垃圾的回收。 也就是在程序运行的同时，也进行垃圾回收，其实java就是这样做的， 所以java虚拟机也是多线程的。
图1.3 代码 第2章：线程的创建2.1 线程创建的方式一-继承thread类如图2.1中显示的这个异常发生在主线程上。
图2.1 代码 再看下面这个例子中的代码，如图2.2所示。 这个代码执行的结果是先打印one，最后再打印two。
图2.2 代码 在图2.2这个例子中，只有一个主线程在控制代码执行的流程，当d1.show();没有执行完的时候，d2.show()是不可能执行的，如果d1执行时，遇到了较多的运算，那么d2就只能等d1结束。 这两个函数之间也没有什么依赖关系，可不可以实现让d1和d2同时执行呢？ 可以！这时就需要由一个线程控制d1，另一个线程控制d2，那如何创建一个线程呢？ 其实java中对线程这类事物已经进行了封装，并提供了相对应的对象，这个对象就是Thread。 查看API文档中Thread的介绍：如图2.3所示。
图2.3 线程的介绍 让Demo3类，继承Thread类，覆盖run方法。代码实现如图2.4所示。
图2.4 线程代码 为什么要继承thread类，覆盖run方法呢？ 其实直接建立Thread类对象，并开启线程执行就可以了，但是虽然线程执行了，可是执行的代码是Thread类里面run方法中默认的代码。 可是我们定义线程的目的是为了执行自定义的代码，而线程运行的代码必须是在run方法中的，所以只有覆盖run方法，才可以运行自定义的内容，想要覆盖run方法，必须先要继承Thread类。 注意：主线程运行的代码都在main函数中，自定义线程运行的代码都在对应的run方法中。 如何调用Demo3这个线程子类中的代码去执行呢，如图2.5所示。
图2.5代码 这样执行的时候，会发现打印的结果和之前没有改为多线程的时候一样 这个程序，其实还是只有一个主线程真正执行。 如果直接调用该对象的run方法，这时，底层资源并没有完成线程的创建和执行，仅仅是简单的对象调用方法的过程，所以这时执行控制流程的只有主线程。 如果想要真正开启线程，需要去调用Thread类中的另一个方法来完成。 start方法： 该方法做了两件事情： 1. 开启线程 2. 调用了线程的run方法 修改下面的代码执行，这个执行效果就是多个线程同时执行。如图2.6所示。
图2.6 多线程代码 2.2 线程运行的随机性当创建了两个对象d1,d2后，这时程序就有了3个线程在同时执行(d1,d2,main)。 当主函数执行完d1.start()，d2.start()后，这时三个线程同时打印，结果比较杂乱，这时因为线程的随机性造成的。 随机性的原理是： windows中的多任务同时执行，其实就是多个应用程序在同时执行，而每一个应用程序都由线程来负责控制的，所以windows就是一个多线程的操作系统，CPU是负责提供程序运算的设备。 CPU的特点：在某一个时刻，一个CPU，只能执行一个程序，所以多个程序同时执行其实并不是真正的同时执行，其实就是CPU在做着快速的切换完成的，只是我们感觉上是同时而已。 能不能真正意义上的同时执行呢？ 可以的，就是需要多个CPU，也就是现在所见的多核cpu。 如图2.7所示。
图2.7 CPU执行 再把代码改一下，看一下多个线程的名称，在这我们还没学习到如何获取线程的名称，所以我们通过其他方式来查看线程的名称，如图2.8所示。 可以看到打印的错误信息main、Thread0和Thread1
图2.8线程信息 2.3 线程对象的获取和名称的定义如果我想通过代码获取线程的名称该怎么获取呢？ 查看API文档可以发现 Thread类有一个方法叫getName，可以获取当前线程的名称。 看下面这个例子，如图2.9所示。
图2.9线程信息 注意：因为Demo3这个类是Thread的子类，所以可以直接使用Thread类中的getName()方法，获取当前线程的名字。 多线程的名称默认是以Thread-开头，后面的编号是从0开始的。 我们知道main函数也是由一个主线程执行的，那我在这也使用getName()能不能获取到主线程的名称呢？ 不可以的，因为这个类并不是Thread的子类，所以无法使用这个方法。 这个主线程是虚拟机创建的。 但是我们可以通过Thead类中的currentThread方法获取当前线程对象，再通过当前线程对象来调用getName方法获取当前线程的名称。 如图2.10所示。
图2.10 获取线程对象 线程默认的名称不容易识别，所以就想给线程起名字 看API发现还有一个setName方法，如图2.11所示。
图2.11 设置线程名称 查看API文档发现这个Thread对象的名称还可以在创建线程的时候通过构造函数传递过去。 但是我们之前也传递了参数，线程的名称也没有发生变化 那是因为我们自定义的子类没有这个功能，所以需要在子类的有参构造函数中调用父类的有参构造函数。 改成下面这样就行了，如图2.12所示。
图2.12线程代码 总结下刚才我们说的那几个方法 static Thread currentThread():获取当前线程对象 String getName()：获取线程名称 void setname()：设置线程的名称 Thread(String name):构造函数，在建立线程对象的时候指定名称 2.4 线程运行状态图例画图分析一下线程运行时的不同状态。如图2.13所示。 线程首先被创建，再运行，被创建的线程如何到运行状态呢？ 调用start方法就可以了 还有一种状态，冻结状态。 还有一种状态，消亡状态 运行状态到消亡状态需要调用stop方法，或者run方法运行结束。 运行状态怎么到冻结状态呢？ 有时候我们需要让线程在执行的时候暂时停一会，让别的线程去执行。 通过冻结状态控制线程的执行。 让正在运行的线程调用sleep(time)可以让当前线程睡一会。 具体睡多久，我们通过参数来执行，单位是毫秒。 如何从冻结状态恢复到运行状态呢？ sleep(time)时间到的话线程就会自动恢复到运行状态了。 通过调用wait()方法也可以让运行的线程进入到冻结状态，但是wait不用指定时间，而sleep必须要指定时间。如何恢复呢？这个时候就需要让另外一个线程调用notify方法(唤醒的意思)。 还有一个最重要的状态，临时阻塞状态 这个状态怎么来的呢？ 假设我有三个线程，A线程和B线程还有C线程，当这3个线程都调用了start方法后，叫做3个线程具备了执行资格，处于临时阻塞状态。当某一个线程A正在被CPU执行，说明A线程处于运行状态，即具备了执行资格，也具备了CPU的执行权。 而B,C处于临时阻塞状态，当CPU切换到B线程时，B就具备了执行权，这时A和C就处理临时阻塞状态，只具备执行资格，不具备执行权。 所以，临时阻塞状态：该状态中的线程，具备执行资格的，但是不具备执行权。 临时阻塞状态时由CPU控制的，冻结状态是人为控制的。
图2.13 线程的四种运行状态 2.5 线程创建的方式二-实现runnable接口需求： 火车站售票，一共100章，通过4个窗口卖完。 因为4个窗口售票动作被同时执行，所以需要用到多线程技术。代码如图2.14所示。 开启四个窗口卖票：
图2.14 卖票代码 本来100张票，现在却卖出了400张票，这样就出大事了。 现在我创建了4个对象，每个对象都有一个ticket变量，所以就是400张了。 这个时候把这个变量设置为静态的就可以了。这样再执行，打印结果就正常了。 如图2.15所示。
图2.15 代码 但是我们不建议使用静态，因为加上静态之后，对象的生命周期变得过长，我们还有其他解决方案来解决多线程数据共享的问题，所以把static关键字取消掉。 在main函数中new一个线程，调用4次start行吗？ 注意：这样是会报错的。因为多次启动一个线程是会报错的。 线程已经开启了，再调用开启是不合适的，如图2.16所示。
图2.16 代码 如果你要处理的资源和你的动作封装到一起了，可以怎么做呢？ 继承搞不定的话我们就使用另外一种方式来搞定 创建线程的另一种方法是实现runnable接口，然后实现run方法，在创建Thread时作为一个参数来传递并启动 到API文档中查看一下runnable接口 把之前的代码改造成这样的，如图2.17所示。
图2.17 线程代码 这个代码执行的时候是没有任何输出的，因为默认Thread的run方法什么都没做。 可是我开启多线程的目的是为了让他执行我指定的run方法 所说义在这我们要首先明确run方法所属的对象。 我只要在线程类建立对象的同时，把要执行run方法的对象传进去即可。 这样Thread线程在开启的时候就有了明确的run方法。 把这个ticket对象传给四个线程对象，如图2.18所示。
图2.18 多线程代码 在这执行的时候如果想要获取线程的名称，就不能在TicketWin类中直接使用getName了，因为现在这个类不是线程的子类了， 在这我们使用线程的currentThread方法获取线程名称，如图2.19所示。
2.19线程代码 那么这一种和第一种比到底有什么好处呢？ 第一种方式都继承子类之后会造成资源不共享， 第二种的话，就很方便了，实现一个接口，让多个线程去运行即可。这样就可以实现资源的共享了。 2.6 线程两种创建方式的区别一：继承Thread类。 步骤： 1.定义类继承Thread。 2.覆盖Thread类中的run方法，run方法用于存储多线程要运行的代码。 3.创建Thread类的子类对象创建线程。 4.调用Thread类中的start方法开启线程，并执行子类中的run方法。 特点： 1.当类去描述事物，事物中有属性和行为。 如果行为中有部分代码需要被多线程所执行，同时还在操作属性。 就需要该类继承Thread类，产生该类的对象作为线程对象。 可是这样做会导致每一个对象中都存储一份属性数据。 无法在多个线程中共享该数据。加上静态，虽然实现了共享但是生命周期过长。 2.如果一个类明确了自己的父类，那么很遗憾，它就不可以在继承Thread。 因为java不允许类的多继承。 二：实现Runnable接口： 步骤： 1.定义类实现Runnable接口。 2.覆盖接口中的run方法，将多线程要运行的代码定义在方法中。 3.通过Thread类创建线程对象，并将实现了Runnable接口的子类对象 作为实际参数传递给Thread类的构造函数。 为什么非要被Runnable接口的子类对象传递给Thread类的构造函数呢？ 是因为线程对象在建立时，必须要明确自己要运行的run方法，而这个run方法 定义在了Runnable接口的子类中，所以要将该run方法所属的对象传递给Thread类的构造函数。 让线程对象一建立，就知道运行哪个run方法。 4.调用Thread类中的start方法，开启线程，并执行Runanble接口子类中的run方法。 特点： 1.描述事物的类中封装了属性和行为，如果有部分代码需要被多线程所执行。 同时还在操作属性。那么可以通过实现Runnable接口的方式。 因为该方式是定义一个Runnable接口的子类对象，可以被多个线程所操作 实现了数据的共享。 2.实现了Runnable接口的好处，避免了单继承的局限性。 也就说，一个类如果已经有了自己的父类是不可以继承Thread类的。 但是该类中还有需要被多线程执行的代码。这时就可以通过在该类上功能扩展的形式。 实现一个Runnable接口。 所以在创建线程时，建议使用第二种方式。 第3章：线程安全问题3.1线程安全问题出现的原因线程安全问题：因为线程执行的随机性，有可能会导致多线程在操作数据时发生数据错误的情况产生。 分析下面这个代码，理论上是存在线程安全的问题的，卖出去的票可能大于100张，代码如图3.1所示。
图3.1 线程代码 如果电脑开的程序比较多，出现问题的概率就比较大，我们现在开的程序少，还没出现这个现象 下面模拟一下，如图3.2所示。 在代码中让程序睡一会。调用sleep，因为sleep抛出的有异常，所以需要在这进行处理，只能try catch，不能throws，因为我们这个类实现了runnable接口，runnable接口中的run方法并没有向外抛出异常。
图3.2 线程代码 这时就出现了线程安全的问题。打印出来的票号有0和负数，并且票的张数也超过了100张。 线程安全问题产生的原因： 当线程中多条代码在操作同一个共享数据时，一个线程将部分代码执行完，还没有基础执行其他代码时，被另一个线程获取到了CPU执行权，这时，共享数据操作就有可能出现数据错误。 简答说：多条操作数据的代码被多个线程分来执行造成的。 在我们这个案例里面就是判断和--操作被多个线程分开执行了， 安全问题涉及的内容： 1. 共享数据 2. 是否被多条语句操作 这也是判断多线程程序是否存在安全隐患的依据。 注意：下面这两个操作没有被一个线程执行完，而是被多线程分开来执行了，这样就容易引发线程安全问题。如图3.3所示。
图3.3 代码 3.2 同步代码块-synchronized如何解决这个线程安全问题呢？ java中提供了一个同步机制，解决的原理是让多条操作共享数据的代码在某一时间段，被一个线程执行完，在执行过程中，其他线程不可以参与运算。 同步的格式看下面，这个代码块可以保证一次只有一个线程在里面执行。 里面需要一个对象，这个对象可以是任意对象，就算是new 一个类也可以，但是我还需要定义这个类，比较麻烦，所以可以直接在这个类里面new一个Object。 同步的格式(同步代码块)： synchronized(对象){ // 该对象可以是任意对象 需要被同步的代码; } 代码案例如图3.4所示。
图3.4 代码 这样改完之后，再执行，就不会出现负号票了。 3.3 线程同步的原理同步代码块到底是如何解决线程安全问题的呢？ 看这段代码，如图3.5所示，假设有四个线程会执行，第一个线程过来之后，执行到synchronized代码，在这里我们为了方便理解，可以吧obj认为是只有0和1的两个状态，当第一个线程过来的时候，判断obj的值，如果是1，则向下执行，在向下执行的时候会把这个值改为0，这样其他线程过来的话就进不来这个代码块了，这样我的第一个线程就继续向下执行，当执行到最后的时候再把obj的值从0改为1，这个时候其他线程才可以进入这个代码块。
图3.5 代码 举个例子，火车上的卫生间。 你去上厕所的时候会看一下里面是否有人，如果没人，直接进去把门反锁上，这样就显示厕所有人了，其他人就进不来了。 其实刚才我们说的obj就相当于是一把锁。 谁执行到这个同步，就持有这把锁，谁执行完了就释放这个锁。 同步的原理： 通过一个对象锁，将多条操作共享数据的代码进行了封装并加锁。这样只有持有这个锁的线程才能操作同步中的代码 在这个线程执行期间，即使其他线程获得了执行权，因为没有获得锁，就只能在同步代码块外面等 只有当同步中的线程执行完同步代码块中的代码，才会释放这个锁，这个时候其他线程才有机会去获取这个锁 并只能有一个线程获取到锁而且进入到同步中。 同步的好处： 同步的出现解决了多线程的安全问题。 同步的弊端： 因为多个线程每次都要判断这个锁，所以效率会降低。 以后我们在写同步代码的时候会发现一个问题，如果出现了安全问题，加入了同步，安全问题依然存在，因为同步是有前提的，一定要确认是哪块的问题； 同步前提： 1. 同步需要两个或者两个以上的线程 2. 多个线程使用的是同一个锁 未满足这两个条件，不能称其为同步。 如果出现了加上同步代码 安全问题依然存在的情况，就按照这两个前提来排查问题。 注意： 同步前提里面的1：如果单线程也使用同步的话，这样既不存在安全性，效率还低。 同步前提里面的2：如果一个线程使用A锁，一个线程使用B锁，这样的话和不使用锁没什么区别 注意：这种写法是错误的，相当于给每一个线程都使用一个不同的锁，所以输出结果还是有负数，如图3.6所示。
图3.6 代码 3.4 线程同步的另一种体现-同步函数看这个例子 有两个储户，到同一个银行存钱，每次存100，存3次，两个储户是随机存入的。 银行有一个金库，提供一个存钱的功能。 代码实现如图3.7所示。
图3.7 银行存款 这样实现的话，打印的是100 200 300 ，没有出现600. 因为new Bank是在run方法内部调用的，这样两次调用就会创建两个bank对象，所以需要把这个对象提到run方法外面，和run方法平级。 把Cus类改成这样，如图3.8所示。
图3.8 代码 改过之后看看代码有没有线程安全问题。 根据线程安全的判断原则，有共享变量，有多个线程操作。所以是存在的， 在这个代码的位置添加sleep，演示下效果。如图3.9所示。
图3.9 代码 执行的效果如下图3.10所示。
图3.10 执行的结果 分析下为什么没打印100，因为线程1过来的时候sum变成了100，线程1休息一会，线程2过来，sum就变成了200，最后线程1和线程2都打印的是200 所以，我们发现sum是共享数据，有两条语句在操作这个共享数据，如果这两条语句被多个线程分开执行，也就是一个线程没有执行完，其他线程就参与执行了，就容易发生线程安全问题。 解决办法：加入同步机制，将需要被一个线程一次执行完的代码存储到同步代码块中。 那么使用前面学习的synchroized代码块，代码如图3.11所示。
图3.11 代码 注意：Cus类中的for循环中的x是不涉及线程安全问题的，他是一个局部变量。 在这里我们发现，同步代码块是用于封装代码的，而函数也是用来封装代码的，所不同之处是同步带有锁机制。那么如果让函数具备同步的特性，不就可以取代同步代码块了吗 怎么让函数具备同步性呢？ 其实很简单，只要在函数上加上一个同步关键字修饰即可，这就是同步的另一个体现形式，同步函数。代码如图3.12所示。
图 3.12 同步函数 3.5 同步函数使用的锁同步函数用的是哪个锁呢？ 修改前面卖票的代码，如图3.13所示。 发现卖的票重复了，因为现在用的锁不是同一个。
图3.13 代码 把同步代码块的锁换成this，验证一下效果。如图3.14所示。
图3.14 代码 将同步代码块的锁换成this.发现同步安全问题解决了，所以可以确认同步函数使用的同步锁是this。 同步函数和同步代码块的区别： 同步代码块使用的锁可以是任意对象 同步函数使用的锁是固定对象 this 所以一般定义同步时，建议使用同步代码块。如果锁对象可以使用this，那么就可以使用同步函数。 3.6 单例设计模式之懒汉式的多线程操作单例模式我们前面讲了有两种实现形式，一种是饿汉式、一种是懒汉式，如图3.15所示。
图3.15 单例模式 针对第二种懒汉式这种形式，当多个线程并发执行getInstance方法时，容易发生线程安全问题，因为s是共享数据，有多条语句在操作共享数据。 解决方式很简单，只要让getInstance方法具备同步性即可，如图3.16所示。
图3.16 懒汉式 这样虽然解决了线程安全问题，但是多个线程每一次获取该实例都要调用这个方法，这样效率会比较低。为了保证安全，同时提高效率，可以通过双重判断的形式来完成，其实就是减少线程判断锁的次数。如图3.17所示。
图3.17 懒汉式代码 第4章：线程池4.1 线程池简介多线程的异步执行方式，虽然能够最大限度发挥多核计算机的计算能力，但是如果不加控制，反而会对系统造成负担。线程本身也要占用内存空间，大量的线程会占用内存资源并且可能会导致Out of Memory。即便没有这样的情况，大量的线程回收也会给GC带来很大的压力。 为了避免重复的创建线程，线程池的出现可以让线程进行复用。通俗点讲，当有工作来，就会向线程池拿一个线程，当工作完成后，并不是直接关闭线程，而是将这个线程归还给线程池供其他任务使用。 4.2 常用的线程池java中提供的线程池大致有下面这4种： 1. newFixedThreadPool 2. newSingleThreadExecutor 3. newCachedThreadPool 4. newScheduledThreadPool 其中常用的是newFixedThreadPool，在这里我们就以这个为例进行分析演示。 固定大小的线程池，可以指定线程池的大小，该线程池中的线程数量始终不变，当有新任务提交时，线程池中有空闲线程则会立即执行，如果没有，则会暂存到阻塞队列。对于固定大小的线程池，不存在线程数量的变化。缺点是在线程池空闲时，即线程池中没有可运行任务时，它也不会释放工作线程，还会占用一定的系统资源。 代码案例如图4.1所示。
图4.1 线程池代码 4.3 如何选择线程池数量线程池的大小决定着系统的性能，过大或者过小的线程池数量都无法发挥最优的系统性能。 当然线程池的大小也不需要做的太过于精确，只需要避免过大和过小的情况。一般来说，确定线程池的大小需要考虑CPU的数量，内存大小，任务是计算密集型还是IO密集型等因素 NCPU = CPU的数量 UCPU = 期望对CPU的使用率 0 ≤UCPU ≤ 1 W/C = 等待时间与计算时间的比率 如果希望处理器达到理想的使用率，那么线程池的最优大小为： 线程池大小：Nthreads=Ncpu * Ucpu * (1+W/C) 下面分析一下IO密集型的任务下线程池大小的设置： 一般情况下，如果存在IO，那么肯定w/c>1（阻塞耗时一般都是计算耗时的很多倍）,但是需要考虑系统内存有限（每开启一个线程都需要内存空间），这里需要上服务器测试具体多少个线程数适合（CPU占比、线程数、总耗时、内存消耗）。如果不想去测试，保守点取1即，Nthreads=Ncpu*1*(1+1)=2Ncpu。这样设置一般都OK。 针对计算密集型的任务下线程池大小的设置： 假设没有等待，w=0，则W/C=0. Nthreads=Ncpu。 总结： IO密集型=2Ncpu（可以测试后自己控制大小，2Ncpu一般没问题，其实在实际中可以把这个值适当调大一些）（常出现于线程中：数据库数据交互、网络数据传输、文件处理、网络爬虫等等） 计算密集型=Ncpu（常出现于线程中：复杂算法） 对于计算密集型的任务，在拥有N个处理器的系统上，当线程池的大小为N+1时，通常能实现最优的效率。即使当计算密集型的线程偶尔由于缺失故障或者其他原因而暂停时，这个额外的线程也能确保CPU的时钟周期不会被浪费。 java中：int Ncpu = Runtime.getRuntime().availableProcessors(); |
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