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javaSE学习笔记22-线程（thread）-线程通信、线程池

article 2025/2/21 22:50:06

线程通信


应用场景：生产者和消费者问题
    假设仓库中只能存放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中产品取走消费
    如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止
    如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止

线程通信-分析
这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间相互依赖，互为条件
    对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费者等待，而生产了产品之后，又需要马上通知消费者消费
    对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费
    在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的
        synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步
        synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递（通信）
    java提供了几个方法解决线程之间的通信问题（均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出异常IIIegalMonitorStateException）
    方法名                作用
    wait()               表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，会释放锁
    wait(long timeout)   指定等待的毫秒数
    notify()             唤醒一个处于等待状态的线程
    notifyAll()         唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度

解决方式1
    并发协作模型”生产者/消费者模式“ -->管程法
        生产者：负责生产数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；
        消费者：负责处理数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；
        缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个”缓冲区“
        生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

解决方式2
    并发协作模型”生产者/消费者模式“ -->信号灯法

方式1代码

package com.kuang.thread;

/*
线程通信
应用场景：生产者和消费者问题
    假设仓库中只能存放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中产品取走消费
    如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止
    如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止

线程通信-分析
这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间相互依赖，互为条件
    对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费者等待，而生产了产品之后，又需要马上通知消费者消费
    对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费
    在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的
        synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步
        synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递（通信）
    java提供了几个方法解决线程之间的通信问题（均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出异常IIIegalMonitorStateException）
    方法名                作用
    wait()               表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，会释放锁
    wait(long timeout)   指定等待的毫秒数
    notify()             唤醒一个处于等待状态的线程
    notifyAll()          唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度

解决方式1
    并发协作模型”生产者/消费者模式“ -->管程法
        生产者：负责生产数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；
        消费者：负责处理数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；
        缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个”缓冲区“
        生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

解决方式2
    并发协作模型”生产者/消费者模式“ -->信号灯法
 */

//测试：生产者消费者模型--》利用缓冲区解决：管程法

//生产者，消费者，产品，缓冲区
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        Synchronizer container = new Synchronizer();//创建缓冲区

        //创建生产者线程
        Producers producer = new Producers(container);
        //创建消费者线程
        Consumer consumer = new Consumer(container);

        //启动生产者和消费者线程
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

//生产者
class Producers extends Thread{
    Synchronizer container;//定义一个容器

    public Producers(Synchronizer container){
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i < 20; i++) {
            System.out.println("生产了第 " + i + " 个产品");
            container.push(new Product(i));//将产品放入缓冲区
            try{
                Thread.sleep(1000);//模拟生产耗时
            } catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

//消费者
class Consumer extends Thread{
    Synchronizer container;//定义一个容器

    public Consumer(Synchronizer container){
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i < 20; i++) {
            Product product = container.pop();//从缓冲区(仓库)取出产品
            System.out.println("消费了第 " + product.id + " 个产品");

            try{
                Thread.sleep(3000);//模拟消费耗时
            } catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

//产品
class Product {

    int id;//产品编号

    public Product(int id){
        this.id = id;
    }
}

//缓冲区（商店/仓库）
class Synchronizer {

    //需要一个容器大小
    Product[] products = new Product[10];
    //容器计数器
    int count = 0;

    //生产者放入产品
    public synchronized void push(Product product) {
        //如果容器满了，就需要等待消费者消费,生产者等待
        if(count == products.length) {
            System.out.println("缓冲区(仓库)已满，生产者等待...");
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果没有满，我们就需要丢入产品(放入产品)
        products[count] = product;
        count++;
        System.out.println("生产者生产放入第 " + product.id + " 个产品，当前缓冲区里有了：" + count +"个产品");

        this.notifyAll();//通知消费者可以消费了
    }

    //消费者消费产品
    public synchronized Product pop(){
        //如果容器为空，消费者等待
        while(count == 0){
            try {
                System.out.println("缓冲区为空，消费者等待...");
                wait();//消费者等待
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果容器不为空，取出产品
        count--;
        Product product = products[count];
        System.out.println("消费者消费取出了第 " + product.id + " 个产品，当前缓冲区里还剩：" + count + "个产品");

        //如果缓冲区（仓库）为空，没有商品了，立即通知生产者生产商品
        if (count == 0) {
            System.out.println("缓冲区为空，仓库没有商品了，通知生产者生产商品...");
            this.notifyAll();//通知生产者可以生产了
        }
        return  product;
    }
}

这段代码实现了一个经典的生产者-消费者模型，通过线程间的通信和同步机制（wait() 和 notify()）来协调生产者和消费者的行为。以下是代码的详细分析和实现逻辑：

代码结构

  1. TestPC 类：

    • 主类，包含 main 方法，用于启动生产者和消费者线程。

    • 创建了一个缓冲区（Synchronizer 对象），并启动生产者和消费者线程。

  2. Producers 类：

    • 生产者线程，负责生产产品并将其放入缓冲区。

    • 通过 container.push() 方法将产品放入缓冲区。

  3. Consumer 类：

    • 消费者线程，负责从缓冲区取出产品并消费。

    • 通过 container.pop() 方法从缓冲区取出产品。

  4. Product 类：

    • 表示产品的类，包含一个 id 属性，用于标识产品的编号。

  5. Synchronizer 类：

    • 缓冲区类，用于存储产品。

    • 提供了 push() 和 pop() 方法，分别用于生产者和消费者操作缓冲区。

    • 使用 wait() 和 notify() 实现线程间的通信和同步。

代码逻辑

1. 生产者逻辑

  • 生产者线程通过 run() 方法不断生产产品。

  • 每次生产一个产品后，调用 container.push() 方法将产品放入缓冲区。

  • 如果缓冲区已满，生产者会调用 wait() 进入等待状态，直到消费者消费产品后唤醒它。

  • 生产者生产完产品后，会调用 notifyAll() 通知消费者可以消费了。

2. 消费者逻辑

  • 消费者线程通过 run() 方法不断从缓冲区取出产品并消费。

  • 每次消费一个产品时，调用 container.pop() 方法从缓冲区取出产品。

  • 如果缓冲区为空，消费者会调用 wait() 进入等待状态，直到生产者生产产品后唤醒它。

  • 消费者消费完产品后，如果发现缓冲区为空，会调用 notifyAll() 通知生产者可以生产了。

3. 缓冲区逻辑

  • 缓冲区是一个固定大小的数组（products），用于存储产品。

  • count 表示当前缓冲区中的产品数量。

  • push() 方法用于生产者将产品放入缓冲区。如果缓冲区已满，生产者会等待。

  • pop() 方法用于消费者从缓冲区取出产品。如果缓冲区为空，消费者会等待。

  • 使用 wait() 和notifyAll()  实现线程间的通信和同步。

代码执行流程

  1. 生产者生产产品：

    • 生产者生产产品并调用 push() 方法将产品放入缓冲区。

    • 如果缓冲区已满，生产者会进入等待状态。

  2. 消费者消费产品：

    • 消费者调用 pop() 方法从缓冲区取出产品。

    • 如果缓冲区为空，消费者会进入等待状态。

  3. 线程通信：

    • 当生产者放入产品后，会调用 notifyAll()  唤醒等待的消费者。

    • 当消费者取出产品后，如果发现缓冲区为空，会调用 notifyAll()  唤醒等待的生产者。

关键点

  1. 线程同步：

    • 使用 synchronized 关键字确保对缓冲区的操作是线程安全的。

    • 生产者和消费者通过 wait() 和notifyAll()  实现线程间的通信。

  2. 缓冲区的作用：

    • 缓冲区作为共享资源，协调了生产者和消费者的操作。

    • 生产者将产品放入缓冲区，消费者从缓冲区取出产品。

  3. 线程通信：

    • 当缓冲区满时，生产者会等待，直到消费者消费产品后唤醒它。

    • 当缓冲区为空时，消费者会等待，直到生产者生产产品后唤醒它。

  4. 改进点：

    • 在消费者消费完产品后，如果发现缓冲区为空，会立即通知生产者生产商品，确保缓冲区不会长时间处于空的状态。

方式2代码 

package com.kuang.thread;


//测试生产者消费者问题2：信号灯法，标志位解决
//并发协作模型“生产者/消费者模式” --》信号灯法
public class TestPC2 {

    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();

        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}

//生产者--》演员
class Player extends Thread{
    TV tv;
    public Player(TV tv){
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if (i%2==0){
                this.tv.play("快乐大本营");
            }else {
                this.tv.play("抖音-记录美好生活");
            }
        }
    }
}


//消费者--》观众
class Watcher extends Thread{
    TV tv;
    public Watcher(TV tv){
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            tv.watch();
        }
    }
}

//产品--》节目
class TV{
    //演员表演，观众等待
    //观众观看，演员等待
    String voice;//表演的节目
    boolean flag = true;//定义标志词flag

    //表演
    public synchronized void play(String voice){

        if (!flag){//如果flag为假
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        System.out.println("演员表演了：" + voice);
        //通知观众观看
        this.notifyAll();//通知唤醒
        this.voice = voice;
        this.flag = !this.flag;
    }

    //观看
    public synchronized void watch(){

        if (flag) {
            try{
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观众观看了：" + voice);
        //通知演员表演
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;
    }
}

这段代码实现了一个简单的生产者-消费者模型，使用了“信号灯法”（也称为标志位法）来协调生产者和消费者之间的同步。代码的核心思想是通过一个共享的标志位（flag）来控制生产者和消费者的执行顺序，确保生产者和消费者交替执行。

代码结构分析

  1. TestPC2 类：

    • 这是程序的入口类，包含 main 方法。

    • 在 main 方法中，创建了一个 TV 对象（共享资源），并启动了一个生产者线程（Player）和一个消费者线程（Watcher）。

  2. Player 类：

    • 这是生产者线程类，继承自 Thread。

    • 在 run 方法中，生产者会循环 20 次，交替生产两种节目：“快乐大本营”和“抖音-记录美好生活”。

    • 生产者通过调用 TV 对象的 play 方法来生产节目。

  3. Watcher 类：

    • 这是消费者线程类，继承自 Thread。

    • 在 run 方法中，消费者会循环 20 次，调用 TV 对象的 watch 方法来消费节目。

  4. TV 类：

    • 这是共享资源类，包含了生产者和消费者共享的数据和方法。

    • voice 字段表示当前播放的节目。

    • flag 字段是一个标志位，用于控制生产者和消费者的执行顺序。

    • play 方法和 watch 方法都是同步方法（synchronized），确保同一时间只有一个线程可以访问这些方法。

代码执行流程

  1. 生产者（Player）执行流程：

    • 生产者调用 play 方法时，首先检查 flag 是否为 false。如果 flag 为 false，表示消费者正在消费，生产者需要等待（调用 wait 方法）。

    • 如果 flag 为 true，生产者可以执行生产操作，输出节目名称，并调用 notifyAll 方法唤醒等待的消费者线程。

    • 生产完成后，生产者将 flag 设置为 false，表示消费者可以开始消费。

  2. 消费者（Watcher）执行流程：

    • 消费者调用 watch 方法时，首先检查 flag 是否为 true。如果 flag 为 true，表示生产者正在生产，消费者需要等待（调用 wait 方法）。

    • 如果 flag 为 false，消费者可以执行消费操作，输出当前播放的节目名称，并调用 notifyAll 方法唤醒等待的生产者线程。

    • 消费完成后，消费者将 flag 设置为 true，表示生产者可以开始生产。

关键点

  • synchronized 关键字：确保 play 和 watch 方法是线程安全的，同一时间只有一个线程可以执行这些方法。

  • wait 和 notifyAll 方法：用于线程间的通信和同步。wait 方法使当前线程进入等待状态，直到其他线程调用 notifyAll 方法唤醒它。

  • flag 标志位：用于控制生产者和消费者的执行顺序。flag 为 true 时，生产者可以生产；flag 为 false 时，消费者可以消费。

总结

这段代码通过使用 synchronized、wait 和 notifyAll 方法，以及一个标志位 flag，实现了一个简单的生产者-消费者模型。生产者和消费者交替执行，确保生产者生产一个节目后，消费者才能消费，反之亦然。这种模式可以有效地解决多线程环境下的同步问题。

线程池

使用线程池
背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。
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、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。

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

JDK 5.0起提供了线程池相关API：ExecutorService和Executors
ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor
    void execute(Runnable command):执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
    <T>Future<T>submit(Callable<T>task):执行任务，有返回值，一般又来执行Callable
    void shutdown():关闭连接池

Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池

练习代码：

package com.kuang.thread;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/*
线程池
使用线程池
背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。
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、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。

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

JDK 5.0起提供了线程池相关API：ExecutorService和Executors
ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor
    void execute(Runnable command):执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
    <T>Future<T>submit(Callable<T>task):执行任务，有返回值，一般又来执行Callable
    void shutdown():关闭连接池

Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池
 */
//测试线程池
public class TestPool {

    public static void main(String[] args) {
        //1.创建服务，创建线程池
        //newFixedThreadPool 参数为：线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);//创建线程池

        //执行线程
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        //关闭连接
        service.shutdownNow();
    }
}

class MyThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName());

    }
}

这段代码演示了如何使用 Java 的线程池（ExecutorService）来管理和执行多线程任务。线程池是一种用于管理多个线程的机制，它可以避免频繁创建和销毁线程，从而提高程序的性能和资源利用率。

代码结构分析

  1. TestPool 类：

    • 这是程序的入口类，包含 main 方法。

    • 在 main 方法中，创建了一个固定大小的线程池，并使用线程池执行多个任务。

  2. MyThread 类：

    • 这是一个实现了 Runnable 接口的类，表示一个可以被线程执行的任务。

    • 在 run 方法中，任务简单地输出当前线程的名称。

代码执行流程

  1. 创建线程池：

    • 使用 Executors.newFixedThreadPool(10) 创建一个固定大小为 10 的线程池。这意味着线程池中最多可以同时运行 10 个线程。

    • ExecutorService 是线程池的接口，Executors 是一个工具类，提供了创建不同类型线程池的静态方法。

  2. 提交任务：

    • 使用 service.execute(new MyThread()) 方法向线程池提交任务。execute 方法接受一个 Runnable 对象，并将其放入线程池中等待执行。

    • 代码中提交了 4 个 MyThread 任务。

  3. 任务执行：

    • 线程池中的线程会从任务队列中取出任务并执行。每个任务的 run 方法会被调用，输出当前线程的名称。

    • 由于线程池的大小是 10，而任务只有 4 个，因此这些任务会被线程池中的线程立即执行。

  4. 关闭线程池：

    • 使用 service.shutdownNow() 方法关闭线程池。shutdownNow 会尝试停止所有正在执行的任务，并返回等待执行的任务列表。

    • 关闭线程池后，不能再向线程池提交新的任务。

关键点

  • 线程池的优势：

    • 提高响应速度：线程池中的线程是预先创建好的，任务提交后可以直接执行，减少了创建线程的时间。

    • 降低资源消耗：线程池中的线程可以重复利用，避免了频繁创建和销毁线程的开销。

    • 便于线程管理：线程池提供了对线程的统一管理，可以控制线程的数量、生命周期等。

  • ExecutorService 接口：

    • execute(Runnable command)：执行一个没有返回值的任务。

    • submit(Callable<T> task)：执行一个有返回值的任务，返回一个 Future 对象。

    • shutdown()：平缓关闭线程池，等待所有任务执行完毕。

    • shutdownNow()：立即关闭线程池，尝试停止所有正在执行的任务。

  • Executors 工具类：

    • 提供了创建不同类型线程池的静态方法，如 newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newSingleThreadExecutor 等。

总结

这段代码展示了如何使用 Java 的线程池来管理和执行多线程任务。通过使用线程池，可以有效地管理线程资源，避免频繁创建和销毁线程，从而提高程序的性能和资源利用率。线程池是多线程编程中非常重要的工具，特别适用于需要处理大量短期任务的场景。


http://www.kler.cn/a/553549.html

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