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Java强化：多线程及线程池

news 2025/7/17 10:35:19

一、多线程的基础概念：

  • 多线程的概念：线程是程序内部的一条执行流程，由Thread对象代表；多线程是从软硬件上实现多条执行流程的技术，由CPU负责调度，应用场景包括12306购票、百度网盘的上传下载、消息通信等。
  • 创建多线程的第一种方式：通过继承Thread类实现，步骤为：定义一个子类继承Thread类；重写Thread类的run方法，在该方法中编写线程要执行的任务代码；创建该子类的实例对象；调用实例对象的start方法启动线程。
  • 第一种创建方式的优缺点：优点是编码简单；缺点是线程类已继承Thread类，无法再继承其他类，不利于功能扩展（但该缺点并非绝对，需根据实际需求判断）。
  • 注意事项：启动线程必须调用start方法，直接调用run方法会将线程对象当作普通对象处理，仍为单线程；不要将主线程的任务放在启动子线程之前，否则主线程会先执行完，无法体现多线程同时执行的效果。

二、多线程实现Runnable接口创建：

  • 多线程的第二种创建方式：实现Runnable接口
    步骤为：

    1. 定义一个线程任务类实现Runnable接口；
    2. 重写Runnable接口的run方法，编写线程要执行的任务代码，示例代码如下：
      // 定义线程任务类实现Runnable接口
class MyRunnable implements Runnable {@Overridepublic void run() {// 线程要执行的任务代码for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println("子线程输出：" + i);}}
}
    3. 创建该线程任务类的实例对象；
    4. 将该实例对象作为参数交给Thread对象，包装成线程对象；
    5. 调用线程对象的start方法启动线程，示例代码如下：
      public class ThreadDemo2 {public static void main(String[] args) {// 创建线程任务对象Runnable task = new MyRunnable();// 将任务对象包装成线程对象Thread t1 = new Thread(task);// 启动线程t1.start();// 主线程任务for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println("主线程输出：" + i);}}
}

  • 第二种创建方式的优缺点

    • 优点：线程任务类仅实现接口，可继续继承其他类和实现其他接口，扩展性强，对类的功能阉割少。
    • 缺点：需要额外创建一个任务对象，且线程执行完的run方法不能直接返回结果。

  • 第二种创建方式的简化写法：匿名内部类
    无需定义Runnable接口的实现类，直接创建Runnable匿名内部类对象作为线程任务对象，再包装成线程对象并启动。可进一步简化为链式编程，甚至利用Lambda表达式简化（因Runnable是函数式接口），示例代码如下：

    // 匿名内部类写法
new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println("子线程一输出：" + i);}}
}).start();// Lambda表达式简化写法
new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println("子线程二输出：" + i);}
}).start();

三、多线程实现Callable接口创建：

  • 多线程的第三种创建方式：实现Callable接口：步骤为定义一个线程任务类实现Callable接口，并指定泛型类型（该类型为线程执行完返回的结果类型）；重写Callable接口的call方法，编写线程要执行的任务代码，并在方法中返回结果；创建该线程任务类的实例对象；将该实例对象作为参数交给FutureTask对象，用于接收线程执行后的结果；将FutureTask对象作为参数交给Thread对象，包装成线程对象；调用线程对象的start方法启动线程；通过FutureTask对象的get方法获取线程执行后的结果。
  • 第三种创建方式的示例代码：
    // 定义线程任务类实现Callable接口
class MyCallable implements Callable<Integer> {@Overridepublic Integer call() throws Exception {int sum = 0;for (int i = 0; i <= 100; i++) {sum += i;}return sum;}
}// 测试类
public class ThreadDemo3 {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {// 创建线程任务对象Callable<Integer> callable = new MyCallable();// 创建FutureTask对象接收结果FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);// 包装成线程对象并启动new Thread(futureTask).start();// 获取线程执行结果Integer result = futureTask.get();System.out.println("结果是：" + result);}
}
  • 第三种创建方式的优缺点：优点是线程任务类仅实现接口，可继续继承其他类和实现其他接口，扩展性强；call方法可以直接返回结果，方便获取线程执行后的结果。缺点是需要额外创建任务对象和FutureTask对象，编码相对复杂；get方法可能会阻塞主线程，需要处理异常。
  • 三种创建方式的对比与选择：继承Thread类方式编码简单，但扩展性差；实现Runnable接口方式扩展性强，但无法直接返回结果；实现Callable接口方式扩展性强且能返回结果，但编码复杂。实际开发中，根据是否需要返回结果和扩展性需求选择，优先考虑实现接口的方式，需要返回结果时选Callable，否则选Runnable。

四、多线程的常用方法

  • 线程名称相关方法

    • 获取线程名称：getName()
    • 设置线程名称：setName()
    • 说明：线程默认名称为“Thread-索引”，主线程默认名称为“main”。设置名称需在启动线程之前，也可通过有参构造器设置。

  • 获取当前线程对象方法

    • 方法：currentThread()
    • 说明：这是Thread类的静态方法，用于获取当前正在执行的线程对象，哪个线程调用该方法，就返回哪个线程的对象。

  • 线程休眠方法

    • 方法：sleep(long millis)
    • 说明：这是Thread类的静态方法，作用是让当前执行的线程进入休眠状态，参数为休眠时间（单位为毫秒），时间到后线程继续执行，需处理异常。

  • 线程插队方法

    • 方法：join()
    • 说明：该方法用于让调用此方法的线程先执行完毕，即实现线程插队，待该线程执行完后，其他线程再继续执行，可用于控制线程执行顺序。

  • 其他线程方法说明

    • 如yield()、interrupt()、线程守护、线程优先级等方法在开发中较少使用，入门阶段掌握上述方法即可，后续用到再详细讲解。

  • 线程安全问题的定义：指多个线程同时操作同一个共享资源，且对该资源进行修改时，可能出现的业务安全问题。

  • 线程安全问题的示例：以小明和小红从共同账户（初始余额10万元）同时取10万元为例，可能出现两人都成功取出10万元，最终账户余额变为-10万元的安全问题，造成银行亏损。

  • 线程安全问题出现的原因

    • 存在多个线程同时执行；
    • 这些线程同时访问同一个共享资源；
    • 线程对共享资源进行了修改（仅读取资源不会产生安全问题）。

  • 模拟线程安全问题的设计思路：采用面向对象思想设计

    • 创建账户类（Account）：描述共享账户，包含卡号、余额等信息，提供取钱方法；
    • 创建取钱线程类（DrawThread）：继承Thread类，持有账户对象，重写run方法实现取钱逻辑；
    • 创建线程对象：代表小明和小红，传入同一个账户对象并启动，模拟同时取钱场景。

  • 模拟线程安全问题的代码实现

    • 账户类（Account）
      public class Account {private String cardId;private double money;// 构造器、getter、setter方法（略）// 取钱方法public void drawMoney(double money) {// 获取当前取钱的线程名称String name = Thread.currentThread().getName();// 判断余额是否充足if (this.money >= money) {System.out.println(name + "吐出" + money + "元，取钱成功");// 更新余额this.money -= money;System.out.println(name + "取钱后，余额剩余：" + this.money + "元");} else {System.out.println(name + "取钱失败，余额不足");}}
}
    • 取钱线程类（DrawThread）
      public class DrawThread extends Thread {private Account account;// 有参构造器，接收账户对象和线程名称public DrawThread(Account account, String name) {super(name);this.account = account;}@Overridepublic void run() {// 调用账户的取钱方法，取10万元account.drawMoney(100000);}
}
    • 主类（测试类）
      public class ThreadDemo1 {public static void main(String[] args) {// 创建共享账户对象，初始余额10万元Account account = new Account("ICBC-110", 100000);// 创建小明和小红的线程对象，传入同一个账户new DrawThread(account, "小明").start();new DrawThread(account, "小红").start();}
}

  • 模拟结果及分析：代码大概率会出现线程安全问题（两人都取出10万元）。原因是两个线程可能同时判断余额充足（均为10万元），随后先后执行取钱和更新余额操作，导致账户余额异常。设计时将“更新余额”放在“吐出钱”之后，目的是给其他线程留下判断余额的时间窗口，更易模拟出问题。

五、解决线程安全问题：

  • 线程同步的核心思想：让多个线程先后依次访问共享资源，避免线程安全问题。通过加锁机制，每次只允许一个线程加锁并访问共享资源，访问完毕后自动解锁，其他线程才能加锁进入。
  • 同步代码块：使用synchronized关键字，将访问共享资源的核心代码块上锁。需要声明一个锁对象，该对象对于所有竞争的线程必须是同一把锁。实例方法建议用this作为锁，静态方法建议用字节码对象（类名.class）作为锁，以避免锁的范围过大影响性能。
  • 同步方法：在方法上使用synchronized关键字，将整个方法上锁。其原理与同步代码块类似，实例方法默认用this作为锁，静态方法默认用类名.class作为锁。同步方法锁的范围更广，可读性好但性能相对较差，同步代码块锁的范围小，性能更优。
  • Lock锁：JDK5提供的锁定操作，通过ReentrantLock创建具体的锁对象，使用lock()方法上锁，unlock()方法解锁。建议将unlock()放在finally块中，确保无论是否出现异常都能解锁，且锁对象建议用final修饰以防止被篡改。

六、线程池的相关知识：

  • 线程池的概念：线程池是一种可以复用线程的技术，能避免频繁创建线程导致的内存占用过多和CPU负担过重等问题。
  • 线程池的工作原理：线程池创建后，新任务会被放入任务队列，由固定的工作线程处理，线程处理完当前任务后可处理后续任务，从而控制线程数量，实现线程复用，提高系统性能。
  • 创建线程池的方式：
    • 第一种是使用ExecutorService的实现类ThreadPoolExecutor，通过其有参构造器指定七个参数创建，七个参数分别是核心线程数量、最大线程数量、临时线程存活时间、时间单位、任务队列、线程工厂、任务拒绝策略。
    • 第二种是使用工具类Executors，调用其静态方法返回不同的线程池对象（后续课程讲解）。
  • 线程池处理Runnable任务：通过execute方法执行Runnable任务，线程池会复用线程处理任务，还介绍了关闭线程池的shutdown（等所有任务执行完毕后关闭）和shutdownNow（立即关闭，不管任务是否执行完毕）方法。
  • 临时线程的创建时机：新任务提交时，核心线程都在忙，任务队列已满，且可以创建临时线程时，才会创建临时线程。
  • 任务拒绝策略：当核心线程、临时线程都在忙，任务队列也满了，新任务过来时会触发拒绝策略，常见的有直接抛异常、丢弃任务不抛异常、丢弃等待最久的任务并加入新任务、由主线程执行任务等。
  • 线程池处理Callable任务：通过submit方法提交Callable任务，会返回一个Future对象，可通过该对象获取任务执行后的结果，线程池同样会复用线程处理任务。

七、Executors 工具类创建线程池

  • Executors工具类创建线程池

    • Executors是Java提供的线程池工具类，通过静态方法返回不同特点的线程池，具体如下：
      • newFixedThreadPool(n)：返回固定线程数量的线程池，核心线程数和最大线程数均为n，无临时线程，任务队列不限制长度。
      • newSingleThreadExecutor()：返回单个线程的线程池，仅1个核心线程，线程若因异常死亡会自动补充新线程。
      • newCachedThreadPool()：返回可伸缩的线程池，线程数量随任务增加而增加，空闲60秒的线程会被回收。
      • newScheduledThreadPool(n)：返回可执行定时/延时任务的线程池，核心线程数为n，属于ScheduledExecutorService类型。

  • Executors工具类底层原理

    • 底层通过调用ThreadPoolExecutor的构造器（含7个核心参数）实现线程池创建，本质是对线程池创建过程的封装。
    • 示例：newFixedThreadPool(3)的底层会将核心线程数、最大线程数均设为3，临时线程存活时间为0，任务队列采用无界链表（不限制任务数量）。

  • Executors工具类的风险

    • 阿里巴巴开发手册明确不建议在大型系统中使用，主要风险包括：
      • newFixedThreadPool()和newSingleThreadExecutor()：任务队列无界，大量任务堆积可能导致OOM（内存溢出）。
      • newCachedThreadPool()和newScheduledThreadPool()：线程数量可无限增长，可能因线程过多导致资源耗尽。
    • 建议：通过ThreadPoolExecutor手动配置7个参数（核心线程数、最大线程数、空闲时间等），灵活控制资源占用，小型系统可酌情使用Executors。

  • 线程池参数配置依据

    • 核心线程数和最大线程数的配置需结合业务类型：
      • 计算密集型（如大量循环、数学运算）：线程数建议为CPU核心数或核心数+1，减少上下文切换开销。
      • IO密集型（如网络请求、磁盘读写）：线程数建议为CPU核心数的2倍，利用CPU等待IO的时间提升效率。

  • 进程与线程的关系

    • 进程：正在运行的程序，动态占用CPU、内存、网络等资源。
    • 线程：进程内的执行单元，一个进程可包含多个线程，线程共享进程资源。

  • 并发与并行的概念

    • 并发：CPU通过分时轮询为多个线程服务，因切换速度极快，产生“同时执行”的错觉（如单核CPU处理多线程）。
    • 并行：同一时刻多个线程被CPU调度执行，依赖CPU核心数（如4核CPU可并行处理4个线程）。
    • 实际多线程执行是并发与并行的结合（如20核CPU在6800个线程中，每20个线程并行执行，整体通过并发切换处理所有线程）。

八、抢红包游戏案例

  • 案例需求介绍
    某企业100名员工（工号1-100）参与抢红包活动，需发出200个红包：

    • 小红包（1-30元）占80%（160个），大红包（31-100元）占20%（40个）。
    • 需模拟抢红包过程并输出详情，活动结束时提示“活动结束”，最终可对员工总金额降序排序（视频中主要完成前两步）。

  • 开发核心思路
    100名员工对应100个线程，竞争同一批红包资源（200个红包存于集合中），通过多线程同步机制保证线程安全。

  • 关键步骤与方法实现

    • 步骤1：生成红包集合
      使用Random类生成随机金额，按比例划分小红包和大红包，存入List集合。

      // 生成200个红包的方法
public static List<Integer> generateRedPackets() {List<Integer> redPackets = new ArrayList<>();Random random = new Random();// 生成160个小红包（1-30元）for (int i = 0; i < 160; i++) {int amount = random.nextInt(30) + 1; // 1-30redPackets.add(amount);}// 生成40个大红包（31-100元）for (int i = 0; i < 40; i++) {int amount = random.nextInt(70) + 31; // 31-100redPackets.add(amount);}return redPackets;
}

    • 步骤2：定义线程类（模拟员工抢红包）
      线程类实现Runnable接口或继承Thread类，通过构造器接收红包集合和员工工号，重写run()方法实现抢红包逻辑。

      // 抢红包线程类
class GrabRedPacketThread extends Thread {private List<Integer> redPackets; // 共享的红包集合public GrabRedPacketThread(List<Integer> redPackets, String name) {super(name); // 线程名即员工工号this.redPackets = redPackets;}@Overridepublic void run() {while (true) {synchronized (redPackets) { // 同步代码块保证线程安全if (redPackets.isEmpty()) {System.out.println("活动结束");break;}// 随机获取一个红包并移除int index = new Random().nextInt(redPackets.size());int amount = redPackets.remove(index);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到" + amount + "元");}// 休眠10ms模拟抢红包间隔try {Thread.sleep(10);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

    • 步骤3：启动线程与执行流程
      在主方法中生成红包集合，创建100个线程（员工）并启动，线程竞争抢红包直至红包耗尽。

      public static void main(String[] args) {List<Integer> redPackets = generateRedPackets(); // 生成红包// 创建100个员工线程并启动for (int i = 1; i <= 100; i++) {new GrabRedPacketThread(redPackets, "员工" + i).start();}
}

  • 核心技术点

    • 线程安全：通过synchronized同步代码块锁定红包集合，避免同一红包被重复抢夺。
    • 多线程竞争：100个线程并发访问共享集合，模拟真实抢红包的随机性。
    • 流程控制：通过死循环和集合判空，控制抢红包过程直至红包耗尽。
http://www.dtcms.com/a/283147.html

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