01 语言基础+高级:1-7 异常与多线程_day07 【线程池、Lambda表达式】

时间:2023-03-08 15:36:42
01 语言基础+高级:1-7 异常与多线程_day07 【线程池、Lambda表达式】

day07【线程池、Lambda表达式】

主要内容

  • 等待与唤醒案例
  • 线程池
  • Lambda表达式

教学目标

-[ ] 能够理解线程通信概念
-[ ] 能够理解等待唤醒机制
-[ ] 能够描述Java中线程池运行原理
-[ ] 能够理解函数式编程相对于面向对象的优点
-[ ] 能够掌握Lambda表达式的标准格式
-[ ] 能够使用Lambda标准格式使用Runnable与Comparator接口
-[ ] 能够掌握Lambda表达式的省略格式与规则
-[ ] 能够使用Lambda省略格式使用Runnable与Comparator接口
-[ ] 能够通过Lambda的标准格式使用自定义的接口(有且仅有一个抽象方法)
-[ ] 能够通过Lambda的省略格式使用自定义的接口(有且仅有一个抽象方法)
-[ ] 能够明确Lambda的两项使用前提


第一章 等待唤醒机制

1.1 线程间通信

概念:多个线程在处理同一个资源,但是处理的动作(线程的任务)却不相同。 01 语言基础+高级:1-7 异常与多线程_day07 【线程池、Lambda表达式】

为什么要处理线程间通信:

多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的,当我们需要多个线程来共同完成一件任务,并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信,以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

如何保证线程间通信有效利用资源:

多个线程在处理同一个资源,并且任务不同时,需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时, 避免对同一共享变量的争夺。需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。这种手段即—— 等待唤醒机制。

1.2 等待唤醒机制

什么是等待唤醒机制

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争(race),比如去争夺锁,但这并不是故事的全部,线程间也会有协作机制。就好比在公司里你和你的同事们,存在晋升时的竞争,但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

就是在一个线程进行了规定操作后,就进入等待状态(wait()), 等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将其唤醒(notify());在有多个线程进行等待时, 如果需要,可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。

wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

等待唤醒中的方法

等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的,使用到的3个方法的含义如下:

  1. wait:线程不再活动,不再参与调度,进入 wait set 中,因此不会浪费 CPU 资源,也不会去竞争锁了,这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作,也即是“通知(notify)”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来,重新进入到调度队列(ready queue)中
  2. notify:则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放;例如,餐馆有空位置后,等候就餐最久的顾客最先入座。
  3. notifyAll:则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意:

哪怕只通知了一个等待的线程,被通知线程也不能立即恢复执行,因为它当初中断的地方是在同步块内,而此刻它已经不持有锁,所以她需要再次尝试去获取锁(很可能面临其它线程的竞争),成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下:

  • 如果能获取锁,线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态;
  • 否则,从 wait set 出来,又进入 entry set,线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态。

调用wait和notify方法需要注意的细节

  1. wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为:对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
  2. wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为:锁对象可以是任意对象,而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
  3. wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为:必须要通过锁对象调用这2个方法。

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/*
资源类:包子类
设置包子的属性


包子的状态: 有 true,没有 false
*/
public class BaoZi {
//皮
String pi;
//陷
String xian;
//包子的状态: 有 true,没有 false,设置初始值为false没有包子
boolean flag = false; }

public class BaoZi

/*
生产者(包子铺)类:是一个线程类,可以继承Thread
设置线程任务(run):生产包子
对包子的状态进行判断
true:有包子
包子铺调用wait方法进入等待状态
false:没有包子
包子铺生产包子
增加一些趣味性:交替生产两种包子
有两种状态(i%2==0)
包子铺生产好了包子
修改包子的状态为true有
唤醒吃货线程,让吃货线程吃包子 注意:
包子铺线程和包子线程关系-->通信(互斥)
必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
锁对象必须保证唯一,可以使用包子对象作为锁对象
包子铺类和吃货的类就需要把包子对象作为参数传递进来
1.需要在成员位置创建一个包子变量
2.使用带参数构造方法,为这个包子变量赋值
*/
public class BaoZiPu extends Thread{
//1.需要在成员位置创建一个包子变量
private BaoZi bz; //2.使用带参数构造方法,为这个包子变量赋值
public BaoZiPu(BaoZi bz) {
this.bz = bz;
} //设置线程任务(run):生产包子
@Override
public void run() {
//定义一个变量
int count = 0;
//让包子铺一直生产包子
while(true){
//必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
synchronized (bz){
//对包子的状态进行判断
if(bz.flag==true){
//包子铺调用wait方法进入等待状态
try {
bz.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} //被唤醒之后执行,包子铺生产包子
//增加一些趣味性:交替生产两种包子
if(count%2==0){
//生产 薄皮三鲜馅包子
bz.pi = "薄皮";
bz.xian = "三鲜馅";
}else{
//生产 冰皮 牛肉大葱陷
bz.pi = "冰皮";
bz.xian = "牛肉大葱陷"; }
count++;
System.out.println("包子铺正在生产:"+bz.pi+bz.xian+"包子");
//生产包子需要3秒钟
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//包子铺生产好了包子
//修改包子的状态为true有
bz.flag = true;
//唤醒吃货线程,让吃货线程吃包子
bz.notify();
System.out.println("包子铺已经生产好了:"+bz.pi+bz.xian+"包子,吃货可以开始吃了");
}
}
}
}

public class BaoZiPu extends Thread

/*
消费者(吃货)类:是一个线程类,可以继承Thread
设置线程任务(run):吃包子
对包子的状态进行判断
false:没有包子
吃货调用wait方法进入等待状态
true:有包子
吃货吃包子
吃货吃完包子
修改包子的状态为false没有
吃货唤醒包子铺线程,生产包子
*/
public class ChiHuo extends Thread{
//1.需要在成员位置创建一个包子变量
private BaoZi bz; //2.使用带参数构造方法,为这个包子变量赋值
public ChiHuo(BaoZi bz) {
this.bz = bz;
}
//设置线程任务(run):吃包子
@Override
public void run() {
//使用死循环,让吃货一直吃包子
while (true){
//必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
synchronized (bz){
//对包子的状态进行判断
if(bz.flag==false){
//吃货调用wait方法进入等待状态
try {
bz.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} //被唤醒之后执行的代码,吃包子
System.out.println("吃货正在吃:"+bz.pi+bz.xian+"的包子");
//吃货吃完包子
//修改包子的状态为false没有
bz.flag = false;
//吃货唤醒包子铺线程,生产包子
bz.notify();
System.out.println("吃货已经把:"+bz.pi+bz.xian+"的包子吃完了,包子铺开始生产包子");
System.out.println("----------------------------------------------------");
}
}
}
}

public class ChiHuo extends Thread

/*
测试类:
包含main方法,程序执行的入口,启动程序
创建包子对象;
创建包子铺线程,开启,生产包子;
创建吃货线程,开启,吃包子;
*/
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
//创建包子对象;
BaoZi bz =new BaoZi();
//创建包子铺线程,开启,生产包子;
new BaoZiPu(bz).start();
//创建吃货线程,开启,吃包子;
new ChiHuo(bz).start();
}
}

第二章 线程池

2.1 线程池思想概述

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我们使用线程的时候就去创建一个线程,这样实现起来非常简便,但是就会有一个问题:

如果并发的线程数量很多,并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了,这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率,因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。

那么有没有一种办法使得线程可以复用,就是执行完一个任务,并不被销毁,而是可以继续执行其他的任务?

在Java中可以通过线程池来达到这样的效果。今天我们就来详细讲解一下Java的线程池。

2.2 线程池概念

  • 线程池:其实就是一个容纳多个线程的容器,其中的线程可以反复使用,省去了频繁创建线程对象的操作,无需反复创建线程而消耗过多资源。

由于线程池中有很多操作都是与优化资源相关的,我们在这里就不多赘述。我们通过一张图来了解线程池的工作原理:

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合理利用线程池能够带来三个好处:

  1. 降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数,每个工作线程都可以被重复利用,可执行多个任务。
  2. 提高响应速度。当任务到达时,任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
  3. 提高线程的可管理性。可以根据系统的承受能力,调整线程池中工作线线程的数目,防止因为消耗过多的内存,而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存,线程开的越多,消耗的内存也就越大,最后死机)。
package com.itheima.demo02.ThreadPool;
/*
2.创建一个类,实现Runnable接口,重写run方法,设置线程任务
*/
public class RunnableImpl implements Runnable{
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"创建了一个新的线程执行");
}
}

public class RunnableImpl implements Runnable

08_线程池的代码实现

package com.itheima.demo02.ThreadPool;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors; /*
线程池:JDK1.5之后提供的
java.util.concurrent.Executors:线程池的工厂类,用来生成线程池
Executors类中的静态方法:
static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) 创建一个可重用固定线程数的线程池
参数:
int nThreads:创建线程池中包含的线程数量
返回值:
ExecutorService接口,返回的是ExecutorService接口的实现类对象,我们可以使用ExecutorService接口接收(面向接口编程)
java.util.concurrent.ExecutorService:线程池接口
用来从线程池中获取线程,调用start方法,执行线程任务
submit(Runnable task) 提交一个 Runnable 任务用于执行
关闭/销毁线程池的方法
void shutdown()
线程池的使用步骤:
1.使用线程池的工厂类Executors里边提供的静态方法newFixedThreadPool生产一个指定线程数量的线程池
2.创建一个类,实现Runnable接口,重写run方法,设置线程任务
3.调用ExecutorService中的方法submit,传递线程任务(实现类),开启线程,执行run方法
4.调用ExecutorService中的方法shutdown销毁线程池(不建议执行)
*/
public class Demo01ThreadPool {
public static void main(String[] args) {
//1.使用线程池的工厂类Executors里边提供的静态方法newFixedThreadPool生产一个指定线程数量的线程池
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(2);
//3.调用ExecutorService中的方法submit,传递线程任务(实现类),开启线程,执行run方法
es.submit(new RunnableImpl());//pool-1-thread-1创建了一个新的线程执行
//线程池会一直开启,使用完了线程,会自动把线程归还给线程池,线程可以继续使用
es.submit(new RunnableImpl());//pool-1-thread-1创建了一个新的线程执行
es.submit(new RunnableImpl());//pool-1-thread-2创建了一个新的线程执行 //4.调用ExecutorService中的方法shutdown销毁线程池(不建议执行)
es.shutdown(); es.submit(new RunnableImpl());//抛异常,线程池都没有了,就不能获取线程了
} }

public class Demo01ThreadPool

2.3 线程池的使用

Java里面线程池的*接口是java.util.concurrent.Executor,但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池,而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是java.util.concurrent.ExecutorService

对于线程池的原理不是很清楚的情况下,很有可能配置的线程池不是较优的,因此在java.util.concurrent.Executors线程工厂类里面提供了一些静态工厂,生成一些常用的线程池。官方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。

Executors类中有个创建线程池的方法如下:

  • public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads):返回线程池对象。(创建的是有界线程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量)

获取到了一个线程池ExecutorService 对象,那么怎么使用呢,在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下:

  • public Future<?> submit(Runnable task):获取线程池中的某一个线程对象,并执行

    Future接口:用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。

使用线程池中线程对象的步骤:

  1. 创建线程池对象。
  2. 创建Runnable接口子类对象。(task)
  3. 提交Runnable接口子类对象。(take task)
  4. 关闭线程池(一般不做)。

Runnable实现类代码:

public class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("我要一个教练");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("教练来了: " + Thread.currentThread().getName());
System.out.println("教我游泳,交完后,教练回到了游泳池");
}
}

线程池测试类:

public class ThreadPoolDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池对象
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
// 创建Runnable实例对象
MyRunnable r = new MyRunnable(); //自己创建线程对象的方式
// Thread t = new Thread(r);
// t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run() // 从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
service.submit(r);
// 再获取个线程对象,调用MyRunnable中的run()
service.submit(r);
service.submit(r);
// 注意:submit方法调用结束后,程序并不终止,是因为线程池控制了线程的关闭。
// 将使用完的线程又归还到了线程池中
// 关闭线程池
//service.shutdown();
}
}

第三章 Lambda表达式

3.1 函数式编程思想概述

面向对象的思想:

​  做一件事情,找一个能解决这个事情的对象,调用对象的方法,完成事情。

函数式编程思想:

​  只要能获取到结果,谁去做的,怎么做的都不重要,重视的是结果,不重视过程。

3.2 冗余的Runnable代码

传统写法

当需要启动一个线程去完成任务时,通常会通过java.lang.Runnable接口来定义任务内容,并使用java.lang.Thread类来启动该线程。代码如下:

public class Demo01Runnable {
public static void main(String[] args) {
  // 匿名内部类
Runnable task = new Runnable() {
@Override
public void run() { // 覆盖重写抽象方法
System.out.println("多线程任务执行!");
}
};
new Thread(task).start(); // 启动线程
}
}

本着“一切皆对象”的思想,这种做法是无可厚非的:首先创建一个Runnable接口的匿名内部类对象来指定任务内容,再将其交给一个线程来启动。

代码分析

对于Runnable的匿名内部类用法,可以分析出几点内容:

  • Thread类需要Runnable接口作为参数,其中的抽象run方法是用来指定线程任务内容的核心;

  • 为了指定run的方法体,不得不需要Runnable接口的实现类;

  • 为了省去定义一个RunnableImpl实现类的麻烦,不得不使用匿名内部类;

  • 必须覆盖重写抽象run方法,所以方法名称、方法参数、方法返回值不得不再写一遍,且不能写错;

  • 而实际上,似乎只有方法体才是关键所在

3.3 编程思想转换

做什么,而不是怎么做

我们真的希望创建一个匿名内部类对象吗?不。我们只是为了做这件事情而不得不创建一个对象。我们真正希望做的事情是:将run方法体内的代码传递给Thread类知晓。

2014年3月Oracle所发布的Java 8(JDK 1.8)中,加入了Lambda表达式的重量级新特性,为我们打开了新世界的大门。

3.4 体验Lambda的更优写法

3.5 回顾匿名内部类

3.6 Lambda标准格式

/*
Lambda表达式的标准格式:
由三部分组成:
a.一些参数
b.一个箭头
c.一段代码
格式:
(参数列表) -> {一些重写方法的代码};
解释说明格式:
():接口中抽象方法的参数列表,没有参数,就空着;有参数就写出参数,多个参数使用逗号分隔
->:传递的意思,把参数传递给方法体{}
{}:重写接口的抽象方法的方法体
*/
public class Demo02Lambda {
public static void main(String[] args) {
//使用匿名内部类的方式,实现多线程
new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 新线程创建了");
}
}).start(); //使用Lambda表达式,实现多线程
new Thread(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 新线程创建了");
}
).start(); //优化省略Lambda
new Thread(()->System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 新线程创建了")).start();
}
}

同样的语义体现在Lambda语法中,要更加简单:

() -> System.out.println("多线程任务执行!")
  • 前面的一对小括号即run方法的参数(无),代表不需要任何条件;

  • 中间的一个箭头代表将前面的参数传递给后面的代码;

  • 后面的输出语句即业务逻辑代码。

3.7 练习:使用Lambda标准格式(无参无返回)

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3.8 Lambda的参数和返回值

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3.9 练习:使用Lambda标准格式(有参有返回)

题目

给定一个计算器Calculator接口,内含抽象方法calc可以将两个int数字相加得到和值:

/*
给定一个计算器Calculator接口,内含抽象方法calc可以将两个int数字相加得到和值
*/
public interface Calculator {
//定义一个计算两个int整数和的方法并返回结果
public abstract int calc(int a,int b);
}

在下面的代码中,请使用Lambda的标准格式调用invokeCalc方法,完成120和130的相加计算:

/*
Lambda表达式有参数有返回值的练习
需求:
给定一个计算器Calculator接口,内含抽象方法calc可以将两个int数字相加得到和值
使用Lambda的标准格式调用invokeCalc方法,完成120和130的相加计算
*/
public class Demo01Calculator {
public static void main(String[] args) {
//调用invokeCalc方法,方法的参数是一个接口,可以使用匿名内部类
invokeCalc(10, 20, new Calculator() {
@Override
public int calc(int a, int b) {
return a+b;
}
}); //使用Lambda表达式简化匿名内部类的书写
invokeCalc(120,130,(int a,int b)->{
return a + b;
}); //优化省略Lambda
invokeCalc(120,130,(a,b)-> a + b);
} /*
定义一个方法
参数传递两个int类型的整数
参数传递Calculator接口
方法内部调用Calculator中的方法calc计算两个整数的和
*/
public static void invokeCalc(int a,int b,Calculator c){
int sum = c.calc(a,b);
System.out.println(sum);
}
}

3.10 Lambda省略格式

省略规则

在Lambda标准格式的基础上,使用省略写法的规则为:

  1. 小括号内参数的类型可以省略;

  2. 如果小括号内有且仅有一个参,则小括号可以省略;

  3. 如果大括号内有且仅有一个语句,则无论是否有返回值,都可以省略大括号、return关键字及语句分号。

3.12 Lambda的使用前提

Lambda的语法非常简洁,完全没有面向对象复杂的束缚。但是使用时有几个问题需要特别注意:

  1. 使用Lambda必须具有接口,且要求接口中有且仅有一个抽象方法
    无论是JDK内置的RunnableComparator接口还是自定义的接口,只有当接口中的抽象方法存在且唯一时,才可以使用Lambda。
  2. 使用Lambda必须具有上下文推断
    也就是方法的参数或局部变量类型必须为Lambda对应的接口类型,才能使用Lambda作为该接口的实例。

备注:有且仅有一个抽象方法的接口,称为“函数式接口”。

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参考资料:

ExecutorService 接口简介

为什么java的接口的方法是public abstract修饰?为什么属性是public static final 修饰?

static 关键字修饰成员变量和成员方法

end