多线程基础
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# 1、多线程基础
# 基本概念
程序(program):是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码,静态对象
进程(process)是程序的一次执行过程,或是正在运行的一个程序。是一个动态的过程:有它自身的产生、存在和消亡的过程。——生命周期
- 如:运行中的QQ,运行中的MP3播放器
- 程序是静态的,进程是动态的
- 进程作为资源分配的单位,系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域
线程(thread),进程可进一步细化为线程,是一个程序内部的一条执行路径。
- 若一个进程同一时间并行执行多个线程,就是支持多线程的
- 线程作为调度和执行的单位,每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc),线程切换的开销小
- 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间→它们从同一堆中分配对象,可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。
JVM内存结构
每个线程都具有一个虚拟机栈和一个程序计数器,而方法区和堆,则是每个进程有一个
,所以多个线程共享一个进程中的方法区和堆。
- 单核CPU和多核CPU的理解
- 单核CPU,其实是一种假的多线程,因为在一个时间单元内,也只能执行一个线程的任务。例如:虽然有多车道,但是收费站只有一个工作人员在收费,只有收了费才能通过,那么CPU就好比收费人员。如果有某个人不想交钱,那么收费人员可以把他“挂起”(晾着他,等他想通了,准备好了钱,再去收费)。但是因为CPU时间单元特别短,因此感觉不出来。
- 如果是多核的话,才能更好的发挥多线程的效率。(现在的服务器都是多核的)
- 一个Java应用程序java.exe,其实至少有三个线程: main()主线程,gc()垃圾回收线程,异常处理线程。当然如果发生异常,会影响主线程。
- 并行和并发
- 并行:多个CPU同时执行多个任务。比如:多个人同时做不同的事
- 并发:一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如:秒杀、多个人做同一件事
# 线程的创建和使用
# 方式一:继承Thread类
1.创建—个继承于Thread类的子类
2.重写Thread类的run()
3.创建Thread类的子类的对象
4.通过此对象调用start()
问题1:如果直接调用t1的run()方法,则不会另起一个线程执行,而是就在主线程执行此run()方法
问题2:想第二次调用start()启动一个新线程,是不可行的,需要新建一个对象
示例:
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
MyThread t1 = new MyThread();
t1.start();
MyThread t2 = new MyThread();
t2.start();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":"+i);
}
}
}
}
class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":"+i);
}
}
}
}
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# 1.Thread类中的常用方法
void start():启动线程,并执行对象的run()方法
run():线程在被调度时执行的操作
String getName():返回线程的名称
void setName(String name):设置该线程名称
static Thread currentThread():返回当前线程。在Thread子类中就是this,通常用于主线程和Runnable实现类
yield():释放当前CPU的执行权,即先不执行当前线程了
join():在线程a中调用线程b的join()方法,此时线程a就进入了阻塞状态,直到线程b完全执行完以后,线程a才结束阻塞状态继续执行
@Test public void joinTest(){ MyThread t1 = new MyThread(); t1.start(); Thread.currentThread().setName("主线程"); for (int i = 0; i < 100; i++) { if (i % 2 == 0){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":"+i); } if (i == 20){ try { t1.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } //当主线程输出到20时,此后t1就一直执行,知道t1执行结束
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21static void sleep(long millis):指定时间:毫秒
- 令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU的控制,使其他线程有机会被执行,时间到后该线程重新排队
- 抛出InterruptedException异常
stop():强制线程生命期结束(不推荐使用)
boolean isAlive():返回boolean ,判断线程是否还活着
# 2.线程的调度
- 调度策略:
- 时间片
- 抢占式:高优先级的线程会抢占CPU
- java的调度方式
- 同优先级线程组成先进先出队列(先到先服务),使用时间片策略
- 对搞优先级,使用优先调度的抢占式策略
- 线程的优先级等级
- MAX_PRIORITY:10
- MIN_PRIORITY:1
- NORM_PRIORITY:5,默认的优先级
- 涉及的方法:
- getPriority():返回线程优先级的值
- setPriority(int p):改变线程的优先级
- 说明:
- 线程创建时继承父线程的优先级
- 低优先级只是获得调度的概率低,并非一定是在高优先级线程之后才被调用
# 方式二:实现Runnable接口
步骤:
- 创建一个实现了Runnable接口的类
- 实现类去实现Runnable接口中的抽象方法:run()
- 创建实现类的对象
- 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中,创建Thread类的对象
- 通过Thread类的对象调用start()方法
public class RunnableTest {
public static void main(String[] args) {
RunnableThread t1 = new RunnableThread();
//要创建多个线程时,不用new新的实现了Runnable接口的对象了,且该对象的属性被所有因它而产生的的线程共享
Thread thread = new Thread(t1);
Thread thread1 = new Thread(t1);
Thread thread2 = new Thread(t1);
thread.start();
thread1.start();
thread2.start();
}
}
class RunnableThread implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (i % 2 == 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":"+i);
}
}
}
}
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# 两种创建方式的比较
开发中,优先选择实现Runnable接口的方式
原因:
- 实现的方式没有类的单继承性的局限性
- 实现的方式更适合用来处理多个线程有共享数据的情况
联系:Thread类其实实现了Runnable接口
相同点:两种方式都需要重写run(),将线程要执行的逻辑声明在run()中
# 线程的生命周期
# 线程的同步(线程安全问题)
多线程可能产生的问题
- 多个线程执行的不确定性引起执行结果的不稳定
- 多个线程对堆空间和方法区数据的共享,会造成操作的不完整性,破坏数据
解决方法:
在java中,我们通过同步机制,来解决线程的安全问题。
局限性:操作同步代码时,只能有一个线程参与,其他线程等待。相当于一个单线程的过程,效率低。
方式一:同步代码块
synchronized(同步监视器){ //需要被同步的代码 } 说明: 1.操作共享数据的代码,即为需要被同步的代码 2.共享数据:多个线程共同操作的变量。 3.同步监视器,俗称:锁。任何一个类的对象,都可以充当锁。 锁的要求:多个线程必须要共用同一把锁。
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9代码示例:
public class SyncTest { public static void main(String[] args) { Window window = new Window(); Thread t1 = new Thread(window); Thread t2 = new Thread(window); Thread t3 = new Thread(window); t1.start(); t2.start(); t3.start(); } } class Window implements Runnable{ private int ticket = 100; //锁保证唯一且所有线程共用 private Object object = new Object(); @Override public void run() { while(true) { //使用当前对象充当锁也可(限于实现Runnable的方式) //synchronized(this){ //synchronized(object){ //使用类.class也可以(Window.class只会加载一次) synchronized(Window.class){ if (ticket > 0){ try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":卖票,票号为:"+ticket); ticket--; }else{ break; } } } } }
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39补充:1.在实现Runnable接口创建多线程的方式中,我们可以考虑使用this充当同步监视器
2.在继承Thread类创建多线程的方式中,要慎用this充当同步监视器,可以考虑使用当前类.class来充当监视器
方式二:同步方法
如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中,我们不妨将此方法声明为同步(synchronized)
1.同步方法处理Runnable接口方式的代码示例:
public class SyncTest3 { public static void main(String[] args) { Window3 window = new Window3(); Thread t1 = new Thread(window); Thread t2 = new Thread(window); Thread t3 = new Thread(window); t1.start(); t2.start(); t3.start(); } } class Window3 implements Runnable { private int ticket = 100; public synchronized void show() { //同步监视器就是this if (ticket > 0) { try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票,票号为:" + ticket); ticket--; } } @Override public void run() { while (true) { show(); } } }
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352.同步方法处理继承Thread类的方式:
因为此时有多个Thread类,使用Runnable的处理方式的话,this表示每一个类的对象,锁即不唯一了。为了解决这个问题,可以把同步方法设为static。 代码示例:
public class SyncTest4 { public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Window4(); Thread t2 = new Window4(); Thread t3 = new Window4(); t1.start(); t2.start(); t3.start(); } } class Window4 extends Thread { private static int ticket = 100; public static synchronized void show() { //此时的同步监视器是Window4.class if (ticket > 0) { try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票,票号为:" + ticket); ticket--; } } @Override public void run() { while (true) { show(); } } }
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34关于同步方法的总结:
- 同步方法仍然涉及到同步监视器,只是不需要我们显示的声明
- 非静态的同步方法,同步监视器仍是this;而静态的同步方法,同步监视器是当前类本身,这样才可以保证锁的唯一性和非共享性
# 线程安全的单例模式
class Student {
private Student() {
}
private static Student instance = null;
/**
* 直接使用同步方法
* @return
*/
public synchronized static Student getInstance() {
synchronized(Student.class){
if (instance == null) {
instance = new Student();
}
return instance;
}
}
/**
* 使用同步代码块
* @return
*/
public static Student getInstance1() {
//方式一:效率稍差
// synchronized(Student.class){
// if (instance == null) {
// instance = new Student();
// }
// return instance;
// }
//方式二:效率更高(建议使用)
if (instance == null) {
synchronized(Student.class){
if (instance == null) {
instance = new Student();
}
}
}
return instance;
}
}
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# 线程的死锁问题
死锁:
- 不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃,都在等待对方放弃自己需要的同步资源,就形成了线程的死锁
- 出现死锁后,不会出现异常,不会出现提示,只是所有的线程都处于阻塞状态,无法继续
解决方法:
- 专门的算法、原则
- 尽量减少同步资源的定义
- 尽量避免嵌套同步
# 死锁代码示例
@SuppressWarnings("all")
public class DeadLockTest {
public static void main(String[] args) {
StringBuffer s1 = new StringBuffer();
StringBuffer s2 = new StringBuffer();
new Thread(){
@Override
public void run() {
synchronized (s1){
s1.append("a");
s2.append("1");
//线程1sleep时 线程2开始执行,先获取到锁s2
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//线程1睡眠完 要拿到锁s2才能继续执行 而此时锁s2在线程2手中
synchronized (s2){
s1.append("b");
s2.append("2");
System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
}
}
}
}.start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//线程2获取到锁s2
synchronized (s2){
s1.append("c");
s2.append("3");
//线程2要继续执行 需要获取锁s1,但是此时因为线程1一直拿着锁s1,且因为线程1拿不到锁2,
// 所以线程1一直阻塞在获取锁s2的时候,所以形成了死锁
synchronized (s1){
s1.append("d");
s2.append("4");
System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
}
}
}
}).start();
}
}
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public class DeadLockDemo {
public static void main(String[] args) {
new Thread((new Dead("resource1","resource2")),"T1").start();
new Thread((new Dead("resource2","resource1")),"T2").start();
}
}
class Dead implements Runnable{
private String resource1;
private String resource2;
public Dead(String resource1, String resource2) {
this.resource1 = resource1;
this.resource2 = resource2;
}
@Override
public void run() {
//锁的是字符串,且这两个字符串都是字面量定义,所以存在于字符串常量池中
synchronized(resource1){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取"+resource1);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (resource2){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取"+resource1);
}
}
}
}
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# Lock(同步锁)
- 从jdk5.0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取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。
代码示例:
/**
* 解决线程安全问题的方式三:Lock锁
* @author zdk
* @date 2021/11/6 15:27
*/
public class LockTest {
public static void main(String[] args) {
Window window = new Window();
Thread t1 = new Thread(window);
Thread t2 = new Thread(window);
Thread t3 = new Thread(window);
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
class Window implements Runnable {
private int ticket = 100;
/**
* 参数fair不写时默认为false。
* 为true时会让线程的执行更公平:即不会让同一个线程连续多次获取资源执行
* 即窗口1、2、3循环执行
*/
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while(true) {
try {
//2.调用锁定方法lock()
lock.lock();
if (ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":卖票,票号为:"+ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}finally {
//3.调用解锁方法
lock.unlock();
}
}
}
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# synchronized与Lock的异同?
- synchronized是内置的java关键字,而Lock是一个java类(接口)
- synchronized无法判断获取锁的状态,Lock可以判断是否获取到了锁
- 当线程2所需的锁被线程1获取时,使用Lock锁就不会让线程2一直等待下去:tryLock()和tryLock(long time,TimeUnit timeUnit)可以尝试获取锁
- synchronized是可重入锁,是不可以中断的,非公平的;
- synchronized适合锁少量的代码,Lock适合锁大量的代码
- Lock是显式锁(手动开启和关闭锁,别忘记关闭锁),synchronized是隐式锁,出了作用域自动释放
- 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(在方法体之外)
# 线程的通信
# 涉及到的三个方法
- wait():一旦执行此方法,当前线程就进入阻塞状态,并释放同步监视器
- notify():一旦执行此方法,就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait,唤醒优先级高的
- notifyAll():一旦执行此方法,就会唤醒所有被wait的线程
说明:
1.这三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中
2.这三个方法的调用者,必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器!!否则会出现IllegaLMonitorStateException异常
即以下示例代码中的obj的使用
3.这三个方法都定义在java.lang.Object类中
public class ThreadCommunicationTest {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
Thread t1 = new Thread(number);
Thread t2 = new Thread(number);
t1.setName("线程1");
t2.setName("线程2");
t1.start();
t2.start();
}
}
class Number implements Runnable{
private int number = 1;
private Object obj = new Object();
@Override
public void run() {
while (true){
// synchronized (this){
synchronized (obj){
//唤醒另一线程
// this.notify();
obj.notify();
if (number <= 100) {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+number);
number++;
try {
//使得调用如下wait()方法的线程进入阻塞状态
//调用后会释放锁
// this.wait();
obj.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} else {
break;
}
}
}
}
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# 面试题:sleep()和wait()的异同
相同点:一旦执行方法,都可以使得当前的线程进入阻塞状态
不同点:1.两个方法声明的位置不同:sleep()在Thread类中,wait()在Object类中;
2.调用的要求不同:sleep()可以在任何需要的场景下调用;wait()必须使用在同步代码块或同步方法中(因为要先获得锁)
3.关于是否释放同步监视器:如果两个方法都使用在同步代码块或同步方法中,sleep()不会释放锁,而wait()会释放锁
# 生产者消费者问题
代码:
public class Exercise {
public static void main(String[] args) {
Clerk clerk = new Clerk(0);
Producer producer = new Producer(clerk);
Customer customer = new Customer(clerk);
Thread producerThread = new Thread(producer);
producerThread.setName("生产者");
Thread customerThread1 = new Thread(customer);
Thread customerThread2 = new Thread(customer);
customerThread1.setName("消费者1");
customerThread2.setName("消费者2");
producerThread.start();
customerThread1.start();
customerThread2.start();
}
}
class Producer implements Runnable {
private Clerk clerk;
public Producer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始生产产品...");
while (true) {
try {
Thread.sleep(50);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
clerk.produceProduct();
}
}
}
class Customer implements Runnable {
private Clerk clerk;
public Customer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始消费...");
while (true) {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
clerk.consumeProduct();
}
}
}
class Clerk {
private int goods;
public Clerk(int goods) {
this.goods = goods;
}
public synchronized void produceProduct() {
if (goods < 20) {
goods++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始生产第" + goods + "个产品");
//生产者生产一个以后 即可唤醒消费者
notify();
} else {
try {
//不需要生产时,生产者等待
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public synchronized void consumeProduct() {
if (goods > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始消费第" + goods + "个产品");
goods--;
//消费者消费一个以后,即可唤醒生产者让其继续生产
notify();
} else {
try {
//无商品可消费时,消费者等待
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
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# jdk5新增的创建线程的两种方式
# 方式一:实现Callable接口
与Runnable接口相比,Callable功能更强大
- 相比run()方法,call()可以有返回值
- call()方法可以抛出异常
- Callable支持泛型的返回值
- 需要借助FutureTask类,比如获取返回结果
- Future接口
- 可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等
- FutureTask是Futrue接口的唯一的实现类
- FutureTask同时实现了Runnable,Future接口。它既可以作为Runnable被线程执行,又可以作为Future得到Callable的返回值
代码示例和说明:
//1.创建一个实现了Callable接口的实现类
class NumberCallable implements Callable<Integer> {
//2.实现call()方法,将线程要执行的操作声明在call()中
@Override
public Integer call() throws Exception {
int sum = 0;
for (int i = 0; i <= 100; i++) {
if (i % 2 == 0) {
sum += i;
}
}
return sum;
}
}
/**
* @author zdk
* @date 2021/11/6 17:25
*/
public class CallableTest {
public static void main(String[] args) {
//3.创建Callable接口实现类的对象
NumberCallable numberCallable = new NumberCallable();
//4.将此Callable接口实现类的对象作为参数传递到FutureTask的构造器中,创建FutureTask对象
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(numberCallable);
//5.将FutureTask的对象作为参数传递到Thread的构造器中,创建Thread对象,调用其start()
new Thread(futureTask,"A").start();
new Thread(futureTask,"B").start();
try {
//6.可以通过FutureTask对象的get()方法获取call()方法的返回值
//get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值
//get()会产生阻塞
Integer sum = futureTask.get();
System.out.println(sum);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
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new Thread(futureTask,"A").start(); new Thread(futureTask,"B").start();
- 启动两个一样的线程,实际只会输出一个sum,是因为在多线程并发的情况下使用Callable,运行结果会做缓存处理,提高效率
- 使用get()获取返回值时可能会阻塞,所以一般放在程序最后执行,或者采用异步调用获取方式
# 方式二:使用线程池
- 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。可以避免频繁创建和销毁、实现重复利用。
- 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
- keepAliveTime:线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
# 线程池相关API
- JDK5.0起提供了线程池相关API:ExecutorService和 Executors
- ExecutorService:真正的线程池接口。常见实现类:ThreadPoolExecutor
- void execute(Runnable command):执行任务、命令,没有返回值,一般用来执行Runnable
- < T> Future< T> submit(Callable< T> task):执行任务,有返回值,一般用来执行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
- Executors.newCachedThreadPool():创建一个可根据需要创建新线程的线程池
- Executors.newFixedThreadPool(n);创建一个可重用固定线程数的线程池
- Executors.newSingleThreadExecutor():创建一个只有一个线程的线程池
- Executors.newScheduledThreadPool(n):创建一个线程池,它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
代码示例:
public class ThreadPool {
public static void main(String[] args) {
//提供指定线程数量的线程池
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
//execute(Runnable runnable) 适用于Runnable
executorService.execute(new NumberThread());
//submit(Callable callable) 适用于Callable
executorService.execute(new NumberThread1());
//关闭连接池
executorService.shutdown();
}
}
class NumberThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
int sum = 0;
for (int i = 0; i <= 100; i++) {
if (i % 2 == 0) {
sum += i;
}
}
System.out.println("偶数sum = " + sum);
}
}
class NumberThread1 implements Runnable {
@Override
public void run() {
int sum = 0;
for (int i = 0; i <= 100; i++) {
if (i % 2 != 0) {
sum += i;
}
}
System.out.println("奇数sum = " + sum);
}
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