java的线程、创建线程的 3 种方式、静态代理模式、Lambda表达式简化线程

╰半夏微凉° 2022-11-27 00:37 188阅读 0赞

# 0、介绍 #

**线程**：多个任务同时进行，看似多任务同时进行，但实际上一个时间点上我们大脑还是只在做一件事情。程序也是如此，除非多核cpu，不然一个cpu里，在一个时间点里还是只在做一件事，不过速度很快的切换，造成同时进行的错觉。

**多线程**：

方法间调用：普通方法调用，从哪里来到哪里去，是一条闭合的路径；  
使用多线程：开辟了多条路径。

**进程和线程**：

也就是 Process 和 Thread ，本质来说，进程作为资源分配的单位，线程是调度和执行的单位。具体来说：

*  每个进程都有独立的代码和数据空间（进程上下文），进程间切换会有较大开销，操作系统中同时运行多个任务就是进程；
 *  线程可以看成轻量级的线程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程有独立的运行栈和程序计数器（PC），线程切换的开销较小，同一个应用程序里多个顺序流在执行，他们就是线程，除了CPU外，不会为线程分配内存，它自己使用的是所属进程的资源，线程组只能共享资源。

**其他概念**：

*  线程可以理解为一个独立的执行路径；
 *  在程序运行的时候，即使没有自己创建线程，后台也会存在gc线程、主线程等，而main() 就是主线程，是程序的入口点；
 *  一个进程里如果开辟了多个线程，线程一旦开始运行，是由调度器安排的，和操作系统紧密相关，他们的安排人为没法干预；
 *  对于同一份资源操作，会涉及资源抢夺问题，需要加入并发控制；
 *  线程会带来cpu调度时间、并发控制等额外的开销；
 *  每个线程只在自己的工作内存交互，如果加载和存储主内存控制不当，就会造成数据不一致，也就是线程不安全。

**创建线程**：

**在 java 中，创建线程有 3 种方式：**

1.  **继承Thread类（重写run方法）**；
2.  **实现Runnable接口（重写run方法）**；
3.  **实现Callable接口（重写call方法，这个是在j.u.c包下的）**。

根据设计原则，不管是里氏替换原则，还是在工厂设计模式种，都提到过，尽量多用实现，少用继承，所以**一般情况下尽量使用第二种方法创建线程。**

# 一、创建方法1：继承Thread类 #

先直接看下面一个 demo

/*
        创建方式1：继承Thread + 重写run
        启动方式：创建子类对象 + start
    */
    public class StartThread extends Thread {
        
        //线程入口点
        @Override
        public void run() {
        
            for (int i=0; i<50; i++){
        
                System.out.print("睡觉ing ");
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            //创建子类对象
            StartThread startThread = new StartThread();
            //启动，主意是start
            startThread.start();
            for (int i=0; i<50; i++){
        
                System.out.print("吃饭ing ");
            }
        }
    }

我们把上面的run方法成为线程的入口点，里面是线程执行的代码，当程序运行之后，可以发现，每次的运行结果都是不一样的。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjA5Mjc4Nw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

可以看到这种随机穿插执行的结果，这是**由cpu去安排时间片，调度决定的**。

到这里我们总结使用第一种方法创建线程的步骤就是：

1.  创建子类对象，这个子类是继承了Thread类的；
2.  启动，调用start方法，而不是run方法，start方法是把这个线程丢给cpu的调度器，让他适时运行而不是立即运行。如果使用run方法，那么就是单纯的执行，并没有开启多线程，会先执行完上面的内容，再往下走。

# 二、创建方法2：实现Runnable接口 #

这种方法是推荐的方式，和上一种写法相比较，很简单，只需要把 extends Thread 改成 implements Runnable ，其他的地方几乎没有变化。

区别在于，调用的时候，不能直接 start()，只能借助一个 Thread 对象作为代理。

/*
        创建方式2：实现Runnable + 重写run
        启动方式：创建实现类对象 + 借助thread代理类 + start
    */
    public class StartThreadwithR implements Runnable {
        
        @Override
        public void run() {
        
            for (int i=0; i<50; i++){
        
                System.out.print("睡觉ing ");
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            StartThreadwithR startThread = new StartThreadwithR();
            //创建代理类
            Thread t = new Thread(startThread);
            t.start();//启动
            for (int i=0; i<50; i++){
        
                System.out.print("吃饭ing ");
            }
        }
    }

总结第二种创建线程的方法步骤是：

1.  创建实现类对象，实现类实现的是Runnable接口；
2.  创建**代理类Thread**；
3.  将实现类对象丢给代理类，然后用代理类start。

特殊的，如果我们的一个对象只使用一次，那就完全可以用匿名，上面的

StartThreadwithR startThread = new StartThreadwithR();
            Thread t = new Thread(startThread);
            t.start();

可以改成：

new Thread(new StartThreadwithR()).start();

两种方法相比，因为推荐优先实现接口，而不是继承类，所以第二种方法是推荐的。

# 三、可能出现的问题 #

## 3.1 黄牛订票 ##

当多个线程同时进行修改资源的时候，可能出现线程不安全的问题，最上面我们提到了，这里做一个简单模拟。

假如三个黄牛同时在抢票，服务端的票数–的过程，对于三个线程可能会出现哪些问题呢?

/*
        使用多线程修改资源带来的线程安全问题
    */
    public class Tickets implements Runnable{
        
        private int ticketNum = 100;
        @Override
        public void run() {
        
            while(true){
        
                if (ticketNum<0){
        
                    break;
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在抢票,余票" + ticketNum--);
            }
        }
        //客户端
        public static void main(String[] args) {
        
            Tickets tickets = new Tickets();
            //多个Thread代理
            new Thread(tickets,"黄牛1").start();
            new Thread(tickets,"黄牛2").start();
            new Thread(tickets,"黄牛3").start();
        }
    }

这里面用了简单的模拟服务端和客户端行为，请求票的时候，分别对票数进行 – 操作，执行之后我们来看：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjA5Mjc4Nw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
显然出现了逻辑上的错误，因为多个线程的执行带来的问题。

从运行结果的最后两行入手，背后的原因是：

1.  黄牛 2 先进入run；
2.  可是到将票数-1之前，由于cpu的调度，黄牛 3 线程也开始执行，并且比黄牛 2 更快一步，直接进行了 – 操作，票数变成了 0 ；
3.  此时黄牛 2 输出了结果，余票0；
4.  随后黄牛 3 线程才执行完输出语句，票数反倒是 1 ？

如果我们再模拟一个网络延迟，在 run 方法里加入：

//加入线程阻塞，模拟网络延迟
    try {
        
        Thread.sleep(200);
    } catch (InterruptedException e) {
        
        e.printStackTrace();
    }

多运行几遍，甚至可能票数变成负数。

![在这里插入图片描述][20200812163107472.png_pic_center]  
显然，如果在实际开发中，票数的变化，应该是严格递减的过程，并且，余票到达 0 就应该 break，而不能还出现继续执行了–操作，从而出现这种错误（不考虑退票之类的业务）。

这就是 **高并发** 问题，主要就是**多线程带来的安全**问题。

## 3.2 龟兔赛跑 ##

再来看一个例子，假如有乌龟和兔子进行赛跑，我们模拟两个线程，分别对距离++。

/*
        龟兔赛跑，借助Runnable和Thread代理
    */
    public class Racer implements Runnable{
        
        private String winner;
        @Override
        public void run() {
        
            for (int dis=1; dis<=100; dis++){
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 跑了 " + dis);
                //每走一步，判断是否比赛结束
                if (gameOver(dis))break;
            }
        }
    
        public boolean gameOver(int dis){
        
            if (winner != null){
        
                return true;
            } else if (dis == 100){
        
                winner = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println("获胜者是 "+winner);
                return true;
            }
            return false;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            Racer racer = new Racer();//1.创建实现类
            new Thread(racer,"兔子").start();//2.创建代理类并start
            new Thread(racer,"乌龟").start();
        }
    }

这样运行起来，总会有一个人赢，但是赢的每次不一定是哪一个。

# 四、创建方法3：实现Callable #

面对高并发的情况，需要用到线程池。

来看重新实现的龟兔赛跑：

/*
        创建方法3：Callable，是java.util.concurrent包里的内容
    */
    public class RacerwithCal implements Callable<Integer> {
        
        private String winner;
    
        //需要实现的是call方法
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
        
            for (int dis=1; dis<=100; dis++){
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 跑了 " + dis);
                //每走一步，判断是否比赛结束，并且结束可以有返回值
                if (gameOver(dis))return dis;
            }
            return null;
        }
    
        public boolean gameOver(int dis){
        
            if (winner != null){
        
                return true;
            } else if (dis == 100){
        
                winner = Thread.currentThread().getName();
                if (winner.equals("pool-1-thread-1"))System.out.println("获胜者是 乌龟");
                else System.out.println("获胜者是 兔子");
                return true;
            }
            return false;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        
            //1.创建目标对象
            RacerwithCal race = new RacerwithCal();
            //2.创建执行服务,含有2个线程的线程池
            ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);
            //3.提交执行
            Future<Integer> result1 = service.submit(race);
            Future<Integer> result2 = service.submit(race);
            //4.获取结果：pool-1-thread-1也就是第一个线程是乌龟，第二个兔子
            Integer i = result1.get();
            Integer j = result2.get();
            System.out.println("比分是: "+ i + " : " + j);
            //5.关闭服务
            service.shutdownNow();
        }
    }

来看执行结果：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjA5Mjc4Nw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

总结一下，步骤一般分为 5 步：

1.  创建目标对象；
2.  创建执行服务；
3.  提交执行；
4.  获取结果；
5.  关闭服务。

可以看到，这种方法的特殊之处在于：

*  目标类继实现Callable接口的 call 方法，可以有返回值（前面的run是没有返回值的）；
 *  不用处理异常，可以直接 throw；
 *  使用的过程相比前两种方法，变得复杂。

# 五、静态代理模式 #

注意到在前面使用第二种方法创建多线程的时候，提到了 new Thread(tickets,“黄牛1”).start(); **是使用了 Thread 作为代理**。代理模式本身也是设计模式种的一种，分为动态代理和静态代理，代理模式在开发中记录日志等等很常用。

静态代理的代理类是直接写好的，拿过来用，动态代理则是在程序执行过程中临时创建的。

在这里简单介绍**静态代理。**

实现一个婚庆公司，作为你的婚礼的代理，然后进行婚礼举办。

/*
        静态代理模式demo
        1.真实角色
        2.代理角色
        3.1和2都实现同一个接口
    */
    public class StaticProxy {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //完全类似于 new Thread(new XXX()).start();
            new WeddingCompany(new You()).wedding();
        }
    }
    
    //接口
    interface Marry{
        
        void wedding();
    }
    
    //真实角色
    class You implements Marry{
        
        @Override
        public void wedding() {
        
            System.out.println("结婚路上ing");
        }
    }
    
    //代理角色
    class WeddingCompany implements Marry{
        
        //要代理的真实角色
        private Marry target;
        public WeddingCompany(Marry target) {
        
            this.target = target;
        }
    
        @Override
        public void wedding() {
        
            ready();//准备
            this.target.wedding();
            after();//善后
        }
        private void after() {
        
            System.out.println("结束ing");
        }
        private void ready() {
        
            System.out.println("布置ing");
        }
    }

可以看到，最后的调用方法就相当于是写线程的时候用到的 new Thread(new XXX()).start();

小小区别就在于，我们写的线程类是实现的 run 方法，没有实现start方法，但是不重要。

重要的是，**代理类** 可能做了很多的事，而中间需要 **真实类** 实现的一个方法必须实现，其他的方法，真实类不需要关心，也就是交给代理类去办了。

# 六、Lambda表达式简化线程 #

jdk1.8 后可以使用 lambda 表达式来简化代码，一般用在 **只使用一次的、简单的线程** 里面。

简化的写法有很多，下面是逐渐简化的过程。

## 6.1 静态内部类 ##

如果某个类只希望使用一次，可以用静态内部类来实现，调用的时候一样。

public class StartThreadLambda {
        
        //静态内部类
        static class Inner implements Runnable{
        
            @Override
            public void run() {
        
                for (int i=0; i<50; i++){
        
                    System.out.print("睡觉ing ");
                }
            }
        }
        //静态内部类
        static class Inner2 implements Runnable{
        
            @Override
            public void run() {
        
                for (int i=0; i<50; i++){
        
                    System.out.print("吃饭ing ");
                }
            }
        }
        public static void main(String[] args) {
        
            new Thread(new Inner()).start();
            new Thread(new Inner2()).start();
        }
    }

使用静态内部类的好处是，不使用的时候这个内部类是不会编译的，这其实就是一个单例模式。

## 6.2 方法内部类 ##

还可以直接写到 main 方法内部，因为main 方法就是static，只启动一次。

public class StartThreadLambda {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //方法内部类（局部内部类）
            class Inner implements Runnable{
        
                        //。。。。。。
            }
            class Inner2 implements Runnable{
        
                        //。。。。。。
            }
            new Thread(new Inner()).start();
            new Thread(new Inner2()).start();
        }
    }

## 6.3 匿名内部类 ##

更进一步，可以直接利用匿名内部类，不用声明出类的名称来。

public class StartThreadLambda {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //匿名内部类，必须借助接口或者父类，因为没有名字
            new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    for (int i=0; i<50; i++){
        
                        System.out.print("吃饭ing ");
                    }
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    for (int i=0; i<50; i++){
        
                        System.out.print("睡觉ing ");
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

这里面必须带上实现体了就，因为没有名字，那么就要借助父类或者接口，而父类或者接口的run方法是需要重写/实现的。

## 6.4 Lambda表达式 ##

jdk 8 对匿名内部类写法再进行简化，**只用关注线程体**，也就是只关注 run 方法里面的内容。

public class StartThreadLambda {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //使用Lambda表达式
            new Thread(()-> {
        
                for (int i=0; i<50; i++){
        
                    System.out.print("吃饭ing ");
                }
            }).start();
    
            new Thread(()->{
        
                for (int i=0; i<50; i++){
        
                    System.out.print("睡觉ing ");
                }
            }).start();
        }
    }

**() - > 这个符号**，编译器就默认你是在实现 Runnable，并且默认是在实现 run 方法。

## 6.5 扩展 ##

显然，如果不是线程，是其他的我们自己写的接口+实现类，Lambda表达式也是可用的，而且可以进行参数和返回值的扩展。

public class LambdaTest {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //直接使用lambda表达式实现接口
            Origin o = (int a, int b)-> {
        
                return a+b;
            };
            System.out.println(o.sum(100,100));
        }
    }
    
    //自定义接口，相当于Runnable
    interface Origin{
        
        int sum(int a, int b);
    }

更有甚者，参数的类型也可以省略，他会自己去匹配：

//省略参数类型
    Origin o1 = (a, b) -> {
        
        return a+b;
    };

如果实现接口的方法，只有一行代码，甚至花括号也可以省略：

Origin o2 = (a, b) -> a+b;

有关返回值和参数的个数还是有一些细微差别的。

Lambda表达式也在 Sort 方法里有应用，要想对引用类型里面统一按照某个属性进行排序，需要实现Comparator接口里面的compare方法，可以使用简化写法。

*  Lambda 表达式的支持，主要是为了**避免匿名内部类定义过多，实质上是属于函数式编程的概念**。
 *  需要注意的是，Lambda表达式只支持实现一个方法。

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