我的身旁是一扇亮了又暗的窗

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多线程

线程简介

  • 多任务
    • 本质上还是同时间还是只完成了一个任务,但因为切换的时间太快,感觉是同时进行
  • 多线程
    • 多条线路同时执行,进而提升整体处理性能
    • image.png
  • 进程(Process)
    • 在操作系统中运行的程序就是进程
    • 而程序是指令和数据的有序集合,其本身没有任何运行的含义,是一个静态的概念
  • 线程(Thread)
    • 一个进程中有多个线程,而进程中至少有一个线程
    • 而进程则是执行程序的一次执行过程,它是一个动态的概念。是系统资源分配的单位
    • 线程是 CPU 调度和执行的的单位

注意:很多多线程是模拟出来的,真正的多线程是指有多个 cpu,即多核,如服务器。如果是模拟出来的多线程,即在一个 cpu 的情况下,在同一个时间点,cpu 只能执行一个代码,因为切换的很快,所以就有同时执行的错局。

  • 核心概念
    • 线程就是独立的执行路径
    • 在程序运行时,即使没有自己创建线程,后台也会有多个线程,如主线程,gc 线程
    • main()称之为主线程,为系统的入口,用于执行整个程序
    • 在一个进程中,如果开辟了多个线程,线程的运行由调度器安排调度,调度器是与操作系统紧密相关的,先后顺序是不能人为的干预的。
    • 对同一份资源操作时,会存在资源抢夺的问题,需要加入并发控制
    • 线程会带来额外的开销,如 cpu 调度时间,并发控制开销
    • 每个线程在自己的工作内存交互,内存控制不当会造成数据不一致

线程创建

三种创建方式
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Thread

  • 继承 Thread 类
  • 重写 run()方法
  • 调用 start()开启线程
  • 子类继承 Thread 类具备多线程能力
  • 启动线程:子类对象.start()
  • 不建议使用:避免 OOP 单继承局限性
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//创建线程1:继承Thread类,重写run()方法,调用start()开启线程
//注意:线程开启不一定立即执行,由CPU调度执行
public class Test01 extends Thread {
@Override
public void run() {
//run方法线程体
for (int i = 0; i < 500; i++) {
System.out.println("run:" + i);
}
}

public static void main(String[] args) {
//main线程

//创建一个线程对象
Test01 test01 = new Test01();

//没有开启线程
//test01.run();

//调用start()开启线程
test01.start();

for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("main:" + i);
}
}
}

Runnable

  • 实现 runnable 接口
  • 重写 run()方法
  • 执行线程需要丢入 runnable 接口实现类
  • 调用 start 方法
  • 实现接口 Runnable 具有多线程能力
  • 启动线程:传入目标对象+Thread 对象.start()
  • 准荐使用:避免单继承局限性,灵活方便,方便同一个对象被多个线程使用
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//创建线程2:实现runnable接口,重写run()方法,执行线程需要丢入runnable接口实现类,调用start方法
public class Test03 implements Runnable {
@Override
public void run() {
//run方法线程体
for (int i = 0; i < 500; i++) {
System.out.println("run:" + i);
}
}

public static void main(String[] args) {
//创建runnable接口的实现类
Test03 test03 = new Test03();

//创建线程对象,通过线程对象来开启线程(代理)
new Thread(test03).start();

for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("main:" + i);
}
}
}

Callable

  • 实现 Callable 接口,需要返回值类型
  • 重写 call 方法,需要抛出异常
  • 创建目标对象
  • 创建执行服务:ExecutorService ser = Executors. newFixedThreadPool(1);
  • 提交执行:Futureresult1 = ser.submit(t1);
  • 获取结果:boolean r1 = result1.get();
  • 关闭服务:ser.shutdownNow();
  • 可以获得返回值
  • 可以抛出异常
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//线程创建3:实现Callable
public class Test05 implements Callable<Boolean> {

private String name;

public Test05(String name) {
this.name = name;
}

@Override
public Boolean call() throws Exception {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
System.out.println(name + ":" + "call:" + i + ":" + this.getClass().getClassLoader());
}
return true;
}

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
Test05 t1 = new Test05("小明");
Test05 t2 = new Test05("大黄");
Test05 t3 = new Test05("多小");
//创建执行服务
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
//提交执行
Future<Boolean> r1 = executorService.submit(t1);
Future<Boolean> r2 = executorService.submit(t2);
Future<Boolean> r3 = executorService.submit(t3);
//获取结果
Boolean b1 = r1.get();
Boolean b2 = r2.get();
Boolean b3 = r3.get();
//关闭服务
executorService.shutdownNow();

}
}

线程状态

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线程方法

setPriority(int newPriority)更改线程的优先级
static void sleep(long millis)在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
void join()等待该线程终止
static void yield()暂停当前正在执行的线程对象,并执行其他线程
void interrupt()中断线程(不建议使用)
boolean isAlive()测试线程是否处于活动状态

停止线程

  • 不推荐使用 JDK 提供的 stop()、destroy()方法。【已废弃】
  • 推荐线程自动停止
  • 建议使用一个标志位进行终止变量当 flag=false,则终止线程运行。
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//测试Stop
//建议线程正常停止
//建议使用标志位
//不要使用stop或者destroy等过时方法
public class Test06 implements Runnable {

private boolean flag = true;

@Override
public void run() {
int i = 0;
while (flag) {
System.out.println("run ---->" + i++);
}
}

public void stop() {
this.flag = false;
}

public static void main(String[] args) {
Test06 t1 = new Test06();
new Thread(t1).start();

for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (i == 98) {
t1.stop();
}
System.out.println("main ---->" + i++);
}
}
}

线程休眠(sleep)

  • sleep(时间)指定当前线程阻塞的毫秒数
  • sleep 存在异常 InterruptedException
  • sleep 时间达到后线程进入就绪状态
  • sleep 可以模拟网络延时,倒计时等
  • 每一个对象都有一个锁,sleep 不会释放锁

线程礼让(yield)

  • 礼让线程,让当前正在执行的线程暂停,但不阻塞
  • 将线程从运行状态转为就绪状态
  • 让 cpu 重新调度,礼让不一定成功!看 CPU 心情
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//测试礼让线程
//礼让不一定成功
public class Test07 {
public static void main(String[] args) {
MyYield myYield = new MyYield();
new Thread(myYield, "a").start();
new Thread(myYield, "b").start();
}
}

class MyYield implements Runnable {

@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程开始");
Thread.yield();//礼让
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程结束");
}
}

Join

  • Join 合并线程,待此线程执行完成后,再执行其他线程,其他线程阻塞
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//测试join方法
public class Test08 implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("run:" + i);
}
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Test08 t1 = new Test08();
Thread thread = new Thread(t1);
thread.start();

for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (i == 50) {
thread.join();
}
System.out.println("main" + i);
}
}
}

线程状态 Thread.State

线程状态。线程可以处于以下状态之一:

  • NEW
    • 尚未启动的线程处于此状态。
  • RUNNABLE
    • 在 Java 虚拟机中执行的线程处于此状态。
  • BLOCKED
    • 被阻塞等待监视器锁定的线程处于此状态。
  • WAITING
    • 正在等待另一个线程执行特定动作的线程处于此状态。
  • TIMED_WAITING
    • 正在等待另一个线程执行动作达到指定等待时间的线程处于此状态。
  • TERMINATED
    • 已退出的线程处于此状态。

一个线程可以在给定时间点处于一个状态。这些状态是不反映任何操作系统线程状态的虚拟机状态

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 5; i++) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
Thread.State state = thread.getState();
System.out.println(state);

thread.start();// 启动线程

state = thread.getState();
System.out.println(state);

while (state!= Thread.State.TERMINATED){
Thread.sleep(500);
state = thread.getState();
System.out.println(state);
}
}

线程优先级(setPriority)

  • Java 提供一个线程调度器来监控程序中启动后进入就绪状态的所有线程,线程调度器按照优先级决定应该调度哪个线程来执行。
  • 线程的优先级用数字表示,范围从 1-10.
    • Thread.MIN PRIORITY =1;
    • Thread.MAX PRIORITY = 10;
    • Thread.NORM PRIORITY = 5;
  • 使用以下方式改变或获取优先级
    • getPriority().setPriority(int xxx)
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//测试线程的优先级
public class Test10 {
public static void main(String[] args){
//主线程默认优先级
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---->"+Thread.currentThread().getPriority());
MyPriority myPriority = new MyPriority();
Thread t1 = new Thread(myPriority);
Thread t2 = new Thread(myPriority);
Thread t3 = new Thread(myPriority);
Thread t4 = new Thread(myPriority);
Thread t5 = new Thread(myPriority);
Thread t6 = new Thread(myPriority);

//设置优先级,再启动
t1.start();

t2.setPriority(1);
t2.start();

t3.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
t3.start();

//t4.setPriority(-1);
//t4.start();//异常

//t5.setPriority(11);
//t5.start();//异常

t6.setPriority(8);
t6.start();

}
}

class MyPriority implements Runnable{

@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---->"+Thread.currentThread().getPriority());
}
}

守护线程(setDaemon)

  • 线程分为用户线程守护线程
  • 虚拟机必须确保用户线程执行完毕
  • 虚拟机不用等待守护线程执行完毕
  • 如后台记录操作日志,监控内存,垃圾回收等待…
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//测试守护线程
public class Test11 {
public static void main(String[] args) {
UserThread userThread = new UserThread();
DaemonThread daemonThread = new DaemonThread();

Thread thread = new Thread(daemonThread);
thread.setDaemon(true);
thread.start();

new Thread(userThread).start();

}
}

class DaemonThread implements Runnable {

@Override
public void run() {
int i = 0;
while (true) {
System.out.println("DaemonThread------>" + i++);
}
}
}

class UserThread implements Runnable {

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("UserThread------>" + i);
}
}
}

线程同步

并发:同一个对象被多个线程同时操作
处理多线程问题时,多个线程访问同一个对象,并且某些线程还想修改这个对象.这时候我们就需要线程同步.线程同步其实就是一种等待机制,多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列,等待前面线程使用完毕,下一个线程再使用

  • 由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间,在带来方便的同时,也带来了访问冲突问题,为了保证数据在方法中被访问时的正确性,在访问时加入锁机制 synchronized,当一个线程获得对象的排它锁,独占资源,其他线程必须等待使用后释放锁即可,存在以下问题:
    • 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起
    • 在多线程竞争下,加锁,释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题
    • 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置,引起性能问题

同步方法

  • 由于我们可以通过 private 关键字来保证数据对象只能被方法访问,所以我们只需要针对方法提出一套机制,这套机制就是 synchronized 关键字,它包括两种用法:synchronized 方法和 synchronized 块
  • 同步方法:public synchronized void method(int args)
  • synchronized 方法控制对“对象”的访问,每个对象对应一把锁,每个 synchronized 方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行,否则线程会阻塞,方法一旦执行,就独占该锁,直到该方法返回才释放锁,后面被阻塞的线程才能获得这个锁,继续执行
  • 缺陷:若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率

同步块

  • 同步块:synchronized(Obj){}
  • Obj 称之为同步监视器
    • Obj 可以是任何对象,但是推荐使用共享资源作为同步监视器
    • 同步方法中无需指定同步监视器,因为同步方法的同步监视器就是 this,就是这个对象本身,或者是 class
  • 同步监视器的执行过程
    1. 第一个线程访问,锁定同步监视器,执行其中代码,
    2. 第二个线程访问,发现同步监视器被锁定,无法访问
    3. 第一个线程访问完毕,解锁同步监视器.
    4. 第二个线程访问,发现同步监视器没有锁,然后锁定并访问
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//锁
public class Test12 {
public static void main(String[] args) {
MySynchronized mySynchronized = new MySynchronized();
new Thread(mySynchronized, "大爷").start();
new Thread(mySynchronized, "朋友").start();
new Thread(mySynchronized, "小黄").start();
}
}

class MySynchronized implements Runnable {

private int number = 10;
boolean flag = true;

@Override
public void run() {
while (flag) {
buy();
}
}

//synchronize默认是this
private synchronized void buy() {
if (number <= 0) {
flag = false;
return;
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "------>" + number--);
}
}

死锁

多个线程各自占有一些共享资源,并且互相等待其他线程占有的资源才能运行,而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源,都停止执行的情形,某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时,就可能会发生”死锁”的问题

  • 产生死锁的四个必要条件:
    • 互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用。
    • 请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。
    • 不剥夺条件:进程已获得的资源,在末使用完之前,不能强行剥夺。
    • 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

上面列出了死锁的四个必要条件,我们只要想办法破其中的任意一个或多个条就可以避免死锁发生

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//死锁:多线程互相拿着对方需要的资源
public class Test13 {
public static void main(String[] args) {
C c1 = new C(0);
C c2 = new C(1);
c1.start();
c2.start();
}
}

class A {
}

class B {
}

class C extends Thread {
static A a = new A();
static B b = new B();
int d;

C(int d) {
this.d = d;
}

@Override
public void run() {
try {
e();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

//相互拿着对方的资源
private void e() throws InterruptedException {
if (d == 0) {
synchronized (a) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
Thread.sleep(1000);
synchronized (b) {
}
}
} else {
synchronized (b) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
Thread.sleep(2000);
synchronized (a) {
}
}
}
}
}

Lock(锁)

  • 从 JDK 5.0 开始,Java 提供了更强大的线程同步机制-通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用 Lock 对象充当
  • java.util.concurrent.locks.Lock 接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问,每次只能有一个线程对 Lock 对象加锁,线程开始访问共享资源之前应先获得 Lock 对象
  • ReentrantLock 类实现了 Lock,它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义,在实现线程安全的控制中,比较常用的是 ReentrantLock,可以显式加锁、释放锁。
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//测试Lock
public class TestLock {
public static void main(String[] args) {
TestLTock2 t = new TestLTock2();
new Thread(t).start();
new Thread(t).start();
new Thread(t).start();
}
}

class TestLTock2 implements Runnable {

int i = 10;

//定义锁 可重复锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

@Override
public void run() {
try {
//加锁
lock.lock();
while (true) {
if (i > 0) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i--);
} else {
break;
}
}
} finally {
//解锁
lock.unlock();
}
}
}

synchronized 与 Lock 的对比

  • Lock 是显式锁(手动开启和关闭锁,别忘记关闭锁)synchronized 是隐式锁,出了作用城自动释放
  • Lock 只有代码块锁,synchronized 有代码块锁和方法锁
  • 使用 Lock 锁,JVM 将花费较少的时间来调度线程,性能更好。并且具有更好的扩展性(提供更多的子类)
  • 优先使用顺序:
    • Lock >同步代码块(已经进入了方法体,分配了相应资源)>同步方法(在方法之外)

线程通信

应用场景

生产者和消费者问题

  • 假设仓库中只能存放一件产品,生产者将生产出来的产品放入仓库,消费者将仓库中产品取走消费
  • 如果仓库中没有产品,则生产者将产品放入仓库,否则停止生产并等待,直到仓库中的产品被消费者取走为止.
  • 如果仓库中放有产品,则消费者可以将产品取走消费,否则停止消费并等待,直到仓库中再次放入产品为止.

分析

这是一个线程同步问题(生产者和消费者共享同一个资源,并且生产者和消费者之间相互依赖,互为条件

  • 对于生产者,没有生产产品之前,要通知消费者等待,而生产了产品之后,又需要马上通知消费者消费
  • 对于消费者,在消费之后,要通知生产者已经结束消费,需要生产新的产品以供消费.
  • 在生产者消费者问题中,仅有 synchronized 是不够的
    • synchronized 可阻止并发更新同一个共享资源,实现了同步
    • synchronized 不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)
  • Java 提供了几个方法解决程之 的通信问题
方法名作用
wait()表示线程一直等待,直到其他线程通知,与 sleep 不同会释放锁
wait(long timeout)指定等待的毫秒数
notify()唤醒一个处于等待状态的线程
notifyAll()唤醒同一个对象上所有调用 wait(方法的线程,优先级别高的线程优先调度

注意:均是 Object 类的方法,都只能在同步方法或者同步代码块中使用,否则会抛出异常 llegalMonitorStateException

解决方式

并发协作模型“生产者/消费者模式”–管程法

  • 生产者:负责生产数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
  • 消费者:负责处理数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
  • 缓冲区:消费者不能直接使用生产者的数据,他们之间有个“缓冲区
  • 生产者将生产好的数据放入缓冲区,消费者从缓冲区拿出数据
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//测试生产者消费者模型  利用缓冲区解决:管程法
public class TestProducerConsumers {
public static void main(String[] args) {
SynContainer container = new SynContainer();
new Producer(container).start();
new Consumers(container).start();
}
}

//生产者
class Producer extends Thread {
SynContainer container;

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

//生产

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
container.push(new Product(i));
System.out.println("生产了" + i + "只鸡");
}
}
}

//消费者
class Consumers extends Thread {
SynContainer container;

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

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("消费了-->" + container.pop().getId() + "只鸡");
}
}
}

//产品
class Product {
private int id;

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

public int getId() {
return id;
}
}

//缓冲区
class SynContainer {
//容器大小
Product[] products = new Product[10];
//容器计数器
int count = 0;

//生产者放入产品
public synchronized void push(Product product) {
//如果容器满了,就需要通知消费者消费
if (count == products.length) {
//通知消费者消费,生产者等待
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

//如果没有满,就丢入产品
products[count] = product;
count++;

//通知消费者消费
this.notifyAll();
}

//消费者消费产品
public synchronized Product pop() {
//判断能否消费
if (count == 0) {
//等待生产者生产,消费者等待
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

//如果可以消费
count--;
Product product = products[count];

//没有产品,通知生产者生产
this.notifyAll();

return product;
}
}

并发协作模型“生产者/消费者模式”–信号灯法

  • 使用标志位,判断应该做什么
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//测试生产者消费者模型  利用标志位解决:信号灯
public class TestProducerConsumers2 {
public static void main(String[] args) {
Product2 product2 = new Product2();
new Producer2(product2).start();
new Consumers2(product2).start();
}
}

//生产者
class Producer2 extends Thread {
Product2 product2;

public Producer2(Product2 product2) {
this.product2 = product2;
}

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
if (i % 2 == 0) {
product2.production("正在生产!");
} else {
product2.production("累了在休息!");
}
}
}
}

//消费者
class Consumers2 extends Thread {
Product2 product2;

public Consumers2(Product2 product2) {
this.product2 = product2;
}

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
product2.consumption();
}
}
}

//产品
class Product2 {
//生产者生产,消费者等待
//消费者消费,生产者等待
String products;
boolean flag = true;

//生产
public synchronized void production(String products) {
if (!flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("生产者:" + products);
//通知消费者
this.notifyAll();
this.products = products;
this.flag = !this.flag;
}

//消费
public synchronized void consumption() {
if (flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("消费者:" + products);
//通知生产者
this.notifyAll();
this.flag = !this.flag;
}

}

线程池

  • 背景:经常创建和销毁、使用量特别大的资源,比如并发情况下的线程,对性能影响很大。
  • 思路:提前创建好多个线程,放入线程池中,使用时直接获取,使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。
  • 好处:
    • 提高响应速度(减少了创建新线程的时间)
    • 降低资源消耗(重复利用线程池中线程,不需要每次都创建)
    • 便于线程管理(…)
      • corePoolSize:核心池的大小
      • maximumPoolSize:最大线程数
      • eepAliveTime:线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
  • JDK 5.0 起提供了线程池相关 API:ExecutorService 和 Executors
  • ExecutorService:真正的线程池接口。常见子类 ThreadPoolExecutor
    • void execute(Runnable command):执行任务/命令,没有返回值,一般用来执行 Runnable
    • Futuresubmit(Callabletask):执行任务,有返回值,一般又来执行 Callable
    • void shutdown():关闭连接池
  • Executors:工具类、线程池的工厂类,用于创建并返回不同类型的线程池
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public class TestPool {
public static void main(String[] args) {
//创建线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

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

//关闭连接
service.shutdown();
}
}

class MyThread implements Runnable {

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 2; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}

回顾

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//回顾总结线程的创建
public class ThreadNew {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
new Thread1().start();
new Thread(new Thread2()).start();
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask(new Thread3());
new Thread(futureTask).start();
System.out.println(futureTask.get());
}
}

class Thread1 extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("Thread1");
}
}

class Thread2 implements Runnable {

@Override
public void run() {
System.out.println("Thread2");
}
}

class Thread3 implements Callable<String> {

@Override
public String call() throws Exception {
return "Thread3";
}
}