多線程之間通信及線程池

• 2021 年 12 月 15 日
• 筆記
• JavaSE

線程通信

• 應用場景：生產者和消費者問題

  • 假設倉庫中只能存放一件產品，生產者將生產出來的產品放入倉庫，消費者將倉庫中產品取走消費
  • 如果倉庫中沒有產品，則生產者將產品放入倉庫，否則停止生產並等待，直到倉庫中的產品被消費者取走為止
  • 如果倉庫中放有產品，則消費者可以將產品取走消費，否則停止消費並等待，直到倉庫中再次放入產品為止

• 這是一個線程同步問題，生產者和消費者共享同一個資源，並且生產者和消費者之間相互依賴，互為條件。

  • 對於生產者，沒有生產產品之前，要通知消費者等待。而生產了產品之後，又需要馬上通知消費者消費
  • 對於消費者，在消費之後，要通知生產者已經結束消費，需要生產新的產品以供消費
  • 在生產者消費者問題中，僅有synchronized是不夠的
    • synchronized可阻止並發更新同一個共享資源，實現了同步
    • synchronized不能用來實現不同線程之間的消息傳遞（通信）

• 解決線程之間通信問題的方法

解決方式1

並發協作模型「生產者/消費者模式」—>管程法

• 生產者：負責生產數據的模塊（可能是方法，對象，線程，進程）；
• 消費者：負責處理數據的模塊（可能是方法，對象，線程，進程）；
• 緩衝區：消費者不能直接使用生產者的數據，他們之間有個緩衝區，生產者將生產好的數據放入緩衝區，消費者從緩衝區拿出數據

//測試：生產者消費者模型-->利用緩衝區解決：管程法

//生產者，消費者，產品，緩衝區
public class TestPC {

    public static void main(String[] args) {
        SynContainer container = new SynContainer();

        new Productor(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

//生產者
class Productor extends Thread{
    SynContainer container;

    public Productor(SynContainer container){
        this.container = container;
    }

    //生產
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            container.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生產了"+i+"只雞");
        }
    }
}

//消費者
class Consumer extends Thread{
    SynContainer container;

    public Consumer(SynContainer container){
        this.container = container;
    }
    
    //消費
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("消費了-->"+container.pop().id+"只雞");
        }
    }
}

//產品
class Chicken{
    int id;//產品編號

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

//緩衝區
class SynContainer{

    //需要一個容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    //容器計數器
    int count = 0;

    //生產者放入產品
    public synchronized void push(Chicken chicken){
        //如果容器滿了，就需要等待消費者消費
        if (count==chickens.length){
            //通知消費者消費，生產者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //如果沒有滿，我們就需要丟入產品
        chickens[count] = chicken;
        count++;

        //可以通知消費者消費了
        this.notifyAll();
    }

    //消費者消費產品
    public synchronized Chicken pop(){
        //判斷能否消費
        if (count==0){
            //等待生產者生產，消費者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果可以消費
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];

        //吃完了，通知生產者生產
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}

解決方式2

• 並發協作模式「生產者/消費者模式」—>信號燈法

//測試生產者消費者問題2：信號燈法，標誌位解決
public class TestPC2 {

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

    }
}

//生產者-->演員
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("快樂大本營播放中");
            }else {
                this.tv.play("抖音：記錄美好生活");
            }
        }
    }
}

//消費者-->觀眾
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();
        }
    }
}

//產品-->節目
class TV{
    //演員表演，觀眾等待
    //觀眾觀看，演員等待
    String voice;//表演的節目
    boolean flag = true;

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

        if (!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println("演員表演了："+voice);
        //通知觀眾觀看
        this.notifyAll();//通知喚醒
        this.voice = voice;
        this.flag = !this.flag;

    }

    //觀看
    public synchronized void watch(){
        if (flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("觀看了："+voice);
        //通知演員表演
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;
    }
}

線程池

使用線程池

• 背景：經常創建和銷毀、使用量特別大的資源，比如並發情況下的線程，對性能影響很大。
• 思路：提前創建好多個線程，放入線程池中，使用時直接獲取，使用完放回池中。可以避免頻繁創建銷毀、實現重複利用。類似生活中的公共交通工具。
• 好處：
  • 提高響應速度（減少了創建新線程的時間）
  • 降低資源消耗（重複利用線程池中線程，不需要每次都創建）
  • 便於線程管理（…）
    • corePoolSize：核心池的大小
    • maximumPoolSize：最大線程數
    • keepAliveTime：線程沒有任務時最多保持多長時間後會終止
• JDK5.0起提供了線程池相關API：ExexutorService和Executors
• ExecutorService：真正的線程池接口。常見子類ThreadPoolExecutor
  • void execute(Runnable command)：執行任務/命令，沒有返回值，一般用來執行Runnable
  • Future submit(Callable task)：執行任務，有返回值，一般又來執行Callable
  • void shutdown()：關閉連接池
• Executors：工具類、線程池的工廠類，用於創建並返回不同類型的線程池

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

//測試線程池
public class TestPool {
    public static void main(String[] args) {
        //1.創建服務，創建線程池
        //newFixedThreadPool 參數為：線程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

        //執行
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        //2.關閉鏈接
        service.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}