JavaSE学习笔记(13)---线程池、Lambda表达式

2020-02-14 16:05:07来源:博客园 阅读 ()

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JavaSE学习笔记(13)---线程池、Lambda表达式

JavaSE学习笔记(13)---线程池、Lambda表达式

1、等待唤醒机制

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。

比如:线程A用来生成包子的,线程B用来吃包子的,包子可以理解为同一资源,线程A与线程B处理的动作,一个是生产,一个是消费,那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。

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。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

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,你们可能存在在晋升时的竞争,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。

生产者与消费者问题

等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。

就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源:

包子铺线程生产包子,吃货线程消费包子。当包子没有时(包子状态为false),吃货线程等待,包子铺线程生产包子(即包子状态为true),并通知吃货线程(解除吃货的等待状态),因为已经有包子了,那么包子铺线程进入等待状态。接下来,吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁,那么就执行吃包子动作,包子吃完(包子状态为false),并通知包子铺线程(解除包子铺的等待状态),吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。

代码演示:

包子资源类:

public class BaoZi {
     String  pier ;
     String  xianer ;
     boolean  flag = false ;//包子资源 是否存在  包子资源状态
}

吃货线程类:

public class ChiHuo extends Thread{
    private BaoZi bz;

    public ChiHuo(String name,BaoZi bz){
        super(name);
        this.bz = bz;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            synchronized (bz){
                if(bz.flag == false){//没包子
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("吃货正在吃"+bz.pier+bz.xianer+"包子");
                bz.flag = false;
                bz.notify();
            }
        }
    }
}

包子铺线程类:

public class BaoZiPu extends Thread {

    private BaoZi bz;

    public BaoZiPu(String name,BaoZi bz){
        super(name);
        this.bz = bz;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        //造包子
        while(true){
            //同步
            synchronized (bz){
                if(bz.flag == true){//包子资源  存在
                    try {

                        bz.wait();

                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                // 没有包子  造包子
                System.out.println("包子铺开始做包子");
                if(count%2 == 0){
                    // 冰皮  五仁
                    bz.pier = "冰皮";
                    bz.xianer = "五仁";
                }else{
                    // 薄皮  牛肉大葱
                    bz.pier = "薄皮";
                    bz.xianer = "牛肉大葱";
                }
                count++;

                bz.flag=true;
                System.out.println("包子造好了:"+bz.pier+bz.xianer);
                System.out.println("吃货来吃吧");
                //唤醒等待线程 (吃货)
                bz.notify();
            }
        }
    }
}

测试类:

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //等待唤醒案例
        BaoZi bz = new BaoZi();

        ChiHuo ch = new ChiHuo("吃货",bz);
        BaoZiPu bzp = new BaoZiPu("包子铺",bz);

        ch.start();
        bzp.start();
    }
}

执行效果:

包子铺开始做包子
包子造好了:冰皮五仁
吃货来吃吧
吃货正在吃冰皮五仁包子
包子铺开始做包子
包子造好了:薄皮牛肉大葱
吃货来吃吧
吃货正在吃薄皮牛肉大葱包子
包子铺开始做包子
包子造好了:冰皮五仁
吃货来吃吧
吃货正在吃冰皮五仁包子

线程池

线程池思想概述

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。

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:

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)。

线程池的使用

Java里面线程池的顶级接口是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

要配置一个线程池是比较复杂的,尤其是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();
    }
}

Lambda表达式

函数式编程思想概述

在数学中,函数就是有输入量、输出量的一套计算方案,也就是“拿什么东西做什么事情”。相对而言,面向对象过分强调“必须通过对象的形式来做事情”,而函数式思想则尽量忽略面向对象的复杂语法——强调做什么,而不是以什么形式做

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

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

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。

传递一段代码——这才是我们真正的目的。而创建对象只是受限于面向对象语法而不得不采取的一种手段方式。那,有没有更加简单的办法?如果我们将关注点从“怎么做”回归到“做什么”的本质上,就会发现只要能够更好地达到目的,过程与形式其实并不重要。

生活举例

当我们需要从北京到上海时,可以选择高铁、汽车、骑行或是徒步。我们的真正目的是到达上海,而如何才能到达上海的形式并不重要,所以我们一直在探索有没有比高铁更好的方式——搭乘飞机。

而现在这种飞机(甚至是飞船)已经诞生: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。

体验Lambda的更优写法

借助Java 8的全新语法,上述Runnable接口的匿名内部类写法可以通过更简单的Lambda表达式达到等效:

public class Demo02LambdaRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> System.out.println("多线程任务执行!")).start(); // 启动线程
    }
}

这段代码和刚才的执行效果是完全一样的,可以在1.8或更高的编译级别下通过。从代码的语义中可以看出:我们启动了一个线程,而线程任务的内容以一种更加简洁的形式被指定。

不再有“不得不创建接口对象”的束缚,不再有“抽象方法覆盖重写”的负担,就是这么简单!

回顾匿名内部类

Lambda是怎样击败面向对象的?在上例中,核心代码其实只是如下所示的内容:

() -> System.out.println("多线程任务执行!")

为了理解Lambda的语义,我们需要从传统的代码起步。

使用实现类

要启动一个线程,需要创建一个Thread类的对象并调用start方法。而为了指定线程执行的内容,需要调用Thread类的构造方法:

  • public Thread(Runnable target)

为了获取Runnable接口的实现对象,可以为该接口定义一个实现类RunnableImpl

public class RunnableImpl implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("多线程任务执行!");
    }
}

然后创建该实现类的对象作为Thread类的构造参数:

public class Demo03ThreadInitParam {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable task = new RunnableImpl();
        new Thread(task).start();
    }
}

使用匿名内部类

这个RunnableImpl类只是为了实现Runnable接口而存在的,而且仅被使用了唯一一次,所以使用匿名内部类的语法即可省去该类的单独定义,即匿名内部类:

public class Demo04ThreadNameless {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("多线程任务执行!");
            }
        }).start();
    }
}

匿名内部类的好处与弊端

一方面,匿名内部类可以帮我们省去实现类的定义;另一方面,匿名内部类的语法——确实太复杂了!

语义分析

仔细分析该代码中的语义,Runnable接口只有一个run方法的定义:

  • public abstract void run();

即制定了一种做事情的方案(其实就是一个函数):

  • 无参数:不需要任何条件即可执行该方案。
  • 无返回值:该方案不产生任何结果。
  • 代码块(方法体):该方案的具体执行步骤。

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。

Lambda标准格式

Lambda省去面向对象的条条框框,格式由3个部分组成:

  • 一些参数
  • 一个箭头
  • 一段代码

Lambda表达式的标准格式为:

(参数类型 参数名称) -> { 代码语句 }

格式说明:

  • 小括号内的语法与传统方法参数列表一致:无参数则留空;多个参数则用逗号分隔。
  • ->是新引入的语法格式,代表指向动作。
  • 大括号内的语法与传统方法体要求基本一致。

练习:使用Lambda标准格式(无参无返回)

题目

给定一个厨子Cook接口,内含唯一的抽象方法makeFood,且无参数、无返回值。如下:

public interface Cook {
    void makeFood();
}

在下面的代码中,请使用Lambda的标准格式调用invokeCook方法,打印输出“吃饭啦!”字样:

public class Demo05InvokeCook {
    public static void main(String[] args) {
        // TODO 请在此使用Lambda【标准格式】调用invokeCook方法
    }

    private static void invokeCook(Cook cook) {
        cook.makeFood();
    }
}

解答

public static void main(String[] args) {
    invokeCook(() -> {
        System.out.println("吃饭啦!");
    });
}

备注:小括号代表Cook接口makeFood抽象方法的参数为空,大括号代表makeFood的方法体。

Lambda的参数和返回值

需求:
    使用数组存储多个Person对象
    对数组中的Person对象使用Arrays的sort方法通过年龄进行升序排序

下面举例演示java.util.Comparator<T>接口的使用场景代码,其中的抽象方法定义为:

  • public abstract int compare(T o1, T o2);

当需要对一个对象数组进行排序时,Arrays.sort方法需要一个Comparator接口实例来指定排序的规则。假设有一个Person类,含有String nameint age两个成员变量:

public class Person { 
    private String name;
    private int age;
    
    // 省略构造器、toString方法与Getter Setter 
}

传统写法

如果使用传统的代码对Person[]数组进行排序,写法如下:

import java.util.Arrays;
import java.util.Comparator;

public class Demo06Comparator {
    public static void main(String[] args) {
        // 本来年龄乱序的对象数组
        Person[] array = {
            new Person("古力娜扎", 19),
            new Person("迪丽热巴", 18),
            new Person("马尔扎哈", 20) };

        // 匿名内部类
        Comparator<Person> comp = new Comparator<Person>() {
            @Override
            public int compare(Person o1, Person o2) {
                return o1.getAge() - o2.getAge();
            }
        };
        Arrays.sort(array, comp); // 第二个参数为排序规则,即Comparator接口实例

        for (Person person : array) {
            System.out.println(person);
        }
    }
}

这种做法在面向对象的思想中,似乎也是“理所当然”的。其中Comparator接口的实例(使用了匿名内部类)代表了“按照年龄从小到大”的排序规则。

代码分析

下面我们来搞清楚上述代码真正要做什么事情。

  • 为了排序,Arrays.sort方法需要排序规则,即Comparator接口的实例,抽象方法compare是关键;
  • 为了指定compare的方法体,不得不需要Comparator接口的实现类;
  • 为了省去定义一个ComparatorImpl实现类的麻烦,不得不使用匿名内部类;
  • 必须覆盖重写抽象compare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;
  • 实际上,只有参数和方法体才是关键

Lambda写法

import java.util.Arrays;

public class Demo07ComparatorLambda {
    public static void main(String[] args) {
        Person[] array = {
            new Person("古力娜扎", 19),
            new Person("迪丽热巴", 18),
            new Person("马尔扎哈", 20) };

        Arrays.sort(array, (Person a, Person b) -> {
            return a.getAge() - b.getAge();
        });

        for (Person person : array) {
            System.out.println(person);
        }
    }
}

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:

public interface Calculator {
    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:

public class Demo08InvokeCalc {
    public static void main(String[] args) {
        // TODO 请在此使用Lambda【标准格式】调用invokeCalc方法来计算120+130的结果?
    }

    private static void invokeCalc(int a, int b, Calculator calculator) {
        int result = calculator.calc(a, b);
        System.out.println("结果是:" + result);
    }
}

解答

public static void main(String[] args) {
    invokeCalc(120, 130, (int a, int b) -> {
        return a + b;
    });
}

备注:小括号代表Calculator接口calc抽象方法的参数,大括号代表calc的方法体。

Lambda省略格式

可推导即可省略

Lambda强调的是“做什么”而不是“怎么做”,所以凡是可以根据上下文推导得知的信息,都可以省略。例如上例还可以使用Lambda的省略写法:

public static void main(String[] args) {
    invokeCalc(120, 130, (a, b) -> a + b);
}

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。

备注:掌握这些省略规则后,请对应地回顾本章开头的多线程案例。

练习:使用Lambda省略格式

题目

仍然使用前文含有唯一makeFood抽象方法的厨子Cook接口,在下面的代码中,请使用Lambda的省略格式调用invokeCook方法,打印输出“吃饭啦!”字样:

public class Demo09InvokeCook {
    public static void main(String[] args) {
        // TODO 请在此使用Lambda【省略格式】调用invokeCook方法
    }

    private static void invokeCook(Cook cook) {
        cook.makeFood();
    }
}

解答

public static void main(String[] args) {
    invokeCook(() -> System.out.println("吃饭啦!"));
}

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”。


原文链接:https://www.cnblogs.com/xjtu-lyh/p/12310038.html
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