Java 多线程编程

Java 给多线程编程提供了内置的支持。 一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

多线程是多任务的一种特别的形式，但多线程使用了更小的资源开销。

这里定义和线程相关的另一个术语 - 进程：一个进程包括由操作系统分配的内存空间，包含一个或多个线程。一个线程不能独立的存在，它必须是进程的一部分。一个进程一直运行，直到所有的非守护线程都结束运行后才能结束。

多线程能满足程序员编写高效率的程序来达到充分利用 CPU 的目的。

1. 线程的生命周期

线程是一个动态执行的过程，它也有一个从产生到死亡的过程。

下图显示了一个线程完整的生命周期。

• 新建状态：使用 new 关键字和 Thread 类或其子类建立一个线程对象后，该线程对象就处于新建状态。它保持这个状态直到程序 start() 这个线程。
• 就绪状态：当线程对象调用了start()方法之后，该线程就进入就绪状态。就绪状态的线程处于就绪队列中，要等待JVM里线程调度器的调度。
• 运行状态：如果就绪状态的线程获取 CPU 资源，就可以执行 run()，此时线程便处于运行状态。处于运行状态的线程最为复杂，它可以变为阻塞状态、就绪状态和死亡状态。
• 阻塞状态：如果一个线程执行了sleep（睡眠）、suspend（挂起）等方法，失去所占用资源之后，该线程就从运行状态进入阻塞状态。在睡眠时间已到或获得设备资源后可以重新进入就绪状态。可以分为三种：
  
  • 等待阻塞：运行状态中的线程执行 wait() 方法，使线程进入到等待阻塞状态。
  • 同步阻塞：线程在获取 synchronized 同步锁失败(因为同步锁被其他线程占用)。
  • 其他阻塞：通过调用线程的 sleep() 或 join() 发出了 I/O 请求时，线程就会进入到阻塞状态。当sleep() 状态超时，join() 等待线程终止或超时，或者 I/O 处理完毕，线程重新转入就绪状态。
• 死亡状态：一个运行状态的线程完成任务或者其他终止条件发生时，该线程就切换到终止状态。

2. 线程的优先级

每一个 Java 线程都有一个优先级，这样有助于操作系统确定线程的调度顺序。

Java 线程的优先级是一个整数，其取值范围是 1 （Thread.MIN_PRIORITY ） - 10 （Thread.MAX_PRIORITY ）。

默认情况下，每一个线程都会分配一个优先级 NORM_PRIORITY（5）。

具有较高优先级的线程对程序更重要，并且应该在低优先级的线程之前分配处理器资源。但是，线程优先级不能保证线程执行的顺序，而且非常依赖于平台。

3. 创建线程

Java 提供了三种创建线程的方法：

• 通过实现 Runnable 接口；
• 通过继承 Thread 类本身；
• 通过 Callable 和 Future 创建线程。

4. 通过实现 Runnable 接口来创建线程

创建一个线程，最简单的方法是创建一个实现 Runnable 接口的类。

为了实现 Runnable，一个类只需要执行一个方法调用 run()，声明如下：

public void run()

你可以重写该方法，重要的是理解的 run() 可以调用其他方法，使用其他类，并声明变量，就像主线程一样。

在创建一个实现 Runnable 接口的类之后，你可以在类中范例化一个线程对象。

Thread 定义了几个构造方法，下面的这个是我们经常使用的：

Thread(Runnable threadOb,String threadName);

这里，threadOb 是一个实现 Runnable 接口的类的范例，并且 threadName 指定新线程的名字。

新线程创建之后，你调用它的 start() 方法它才会运行。

void start();

下面是一个创建线程并开始让它执行的范例：

class RunnableDemo implements Runnable {
    private Thread t;
    private String threadName;
    
    RunnableDemo( String name) {
        threadName = name;
        System.out.println("Creating " +  threadName );
    }
    
    public void run() {
        System.out.println("Running " +  threadName );
        try {
            for(int i = 4; i > 0; i--) {
                System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i);
                // 让线程睡眠一会
                Thread.sleep(50);
            }
        }catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("Thread " +  threadName + " interrupted.");
        }
        System.out.println("Thread " +  threadName + " exiting.");
    }
    
    public void start () {
        System.out.println("Starting " +  threadName );
        if (t == null) {
            t = new Thread (this, threadName);
            t.start ();
        }
    }
    }
    
    public class TestThread {
    
    public static void main(String args[]) {
        RunnableDemo R1 = new RunnableDemo( "Thread-1");
        R1.start();
        
        RunnableDemo R2 = new RunnableDemo( "Thread-2");
        R2.start();
    }   
    }

编译以上程序运行结果如下：

Creating Thread-1
Starting Thread-1
Creating Thread-2
Starting Thread-2
Running Thread-1
Thread: Thread-1, 4
Running Thread-2
Thread: Thread-2, 4
Thread: Thread-1, 3
Thread: Thread-2, 3
Thread: Thread-1, 2
Thread: Thread-2, 2
Thread: Thread-1, 1
Thread: Thread-2, 1
Thread Thread-1 exiting.
Thread Thread-2 exiting.

5. 通过继承 Thread 来创建线程

创建一个线程的第二种方法是创建一个新的类，该类继承 Thread 类，然后创建一个该类的范例。

继承类必须重写 run() 方法，该方法是新线程的入口点。它也必须调用 start() 方法才能执行。

该方法尽管被列为一种多线程实现方式，但是本质上也是实现了 Runnable 接口的一个范例。

class ThreadDemo extends Thread {
    private Thread t;
    private String threadName;
    
    ThreadDemo( String name) {
        threadName = name;
        System.out.println("Creating " +  threadName );
    }
    
    public void run() {
        System.out.println("Running " +  threadName );
        try {
            for(int i = 4; i > 0; i--) {
                System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i);
                // 让线程睡眠一会
                Thread.sleep(50);
            }
        }catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("Thread " +  threadName + " interrupted.");
        }
        System.out.println("Thread " +  threadName + " exiting.");
    }
    
    public void start () {
        System.out.println("Starting " +  threadName );
        if (t == null) {
            t = new Thread (this, threadName);
            t.start ();
        }
    }
    }
    
    public class TestThread {
    
    public static void main(String args[]) {
        ThreadDemo T1 = new ThreadDemo( "Thread-1");
        T1.start();
        
        ThreadDemo T2 = new ThreadDemo( "Thread-2");
        T2.start();
    }   
    }

编译以上程序运行结果如下：

Creating Thread-1
Starting Thread-1
Creating Thread-2
Starting Thread-2
Running Thread-1
Thread: Thread-1, 4
Running Thread-2
Thread: Thread-2, 4
Thread: Thread-1, 3
Thread: Thread-2, 3
Thread: Thread-1, 2
Thread: Thread-2, 2
Thread: Thread-1, 1
Thread: Thread-2, 1
Thread Thread-1 exiting.
Thread Thread-2 exiting.

6. Thread 方法

下表列出了Thread类的一些重要方法：

测试线程是否处于活动状态。 上述方法是被Thread对象调用的。下面的方法是Thread类的静态方法。

范例

如下的 ThreadClassDemo 程序演示了 Thread 类的一些方法：

// 文件名 : DisplayMessage.java
// 通过实现 Runnable 接口创建线程
public class DisplayMessage implements Runnable {
    private String message;
    
    public DisplayMessage(String message) {
        this.message = message;
    }
    
    public void run() {
        while(true) {
            System.out.println(message);
        }
    }
}

// 文件名 : GuessANumber.java
// 通过继承 Thread 类创建线程
    
public class GuessANumber extends Thread {
    private int number;
    public GuessANumber(int number) {
        this.number = number;
    }
    
    public void run() {
        int counter = 0;
        int guess = 0;
        do {
            guess = (int) (Math.random() * 100 + 1);
            System.out.println(this.getName() + " guesses " + guess);
            counter++;
        } while(guess != number);
        System.out.println("** Correct!" + this.getName() + "in" + counter + "guesses.**");
    }
}

// 文件名 : ThreadClassDemo.java
public class ThreadClassDemo {
    
    public static void main(String [] args) {
        Runnable hello = new DisplayMessage("Hello");
        Thread thread1 = new Thread(hello);
        thread1.setDaemon(true);
        thread1.setName("hello");
        System.out.println("Starting hello thread...");
        thread1.start();
        
        Runnable bye = new DisplayMessage("Goodbye");
        Thread thread2 = new Thread(bye);
        thread2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        thread2.setDaemon(true);
        System.out.println("Starting goodbye thread...");
        thread2.start();
    
        System.out.println("Starting thread3...");
        Thread thread3 = new GuessANumber(27);
        thread3.start();
        try {
            thread3.join();
        }catch(InterruptedException e) {
            System.out.println("Thread interrupted.");
        }
        System.out.println("Starting thread4...");
        Thread thread4 = new GuessANumber(75);
        
        thread4.start();
        System.out.println("main() is ending...");
    }
}

运行结果如下，每一次运行的结果都不一样。

Starting hello thread...
Starting goodbye thread...
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
Goodbye
Goodbye
Goodbye
Goodbye
Goodbye
.......

7. 通过 Callable 和 Future 创建线程

• 1. 创建 Callable 接口的实现类，并实现 call() 方法，该 call() 方法将作为线程执行体，并且有返回值。
• 2. 创建 Callable 实现类的范例，使用 FutureTask 类来包装 Callable 对象，该 FutureTask 对象封装了该 Callable 对象的 call() 方法的返回值。
• 3. 使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程。
• 4. 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。

public class CallableThreadTest implements Callable<Integer> {
    public static void main(String[] args)  
    {  
        CallableThreadTest ctt = new CallableThreadTest();  
        FutureTask <Integer> ft = new FutureTask<>(ctt);  
        for(int i = 0;i < 100;i++)  
        {  
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 的循环变量i的值"+i);  
            if(i==20)  
            {  
                new Thread(ft,"有返回值的线程").start();  
            }  
        }  
        try  
        {  
            System.out.println("子线程的返回值："+ft.get());  
        } catch (InterruptedException e)  
        {  
            e.printStackTrace();  
        } catch (ExecutionException e)  
        {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    
    }
    @Override  
    public Integer call() throws Exception  
    {  
        int i = 0;  
        for(;i<100;i++)  
        {  
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);  
        }  
        return i;  
    }  
}

8. 创建线程的三种方式的对比

• 1. 采用实现 Runnable、Callable 接口的方式创建多线程时，线程类只是实现了 Runnable 接口或 Callable 接口，还可以继承其他类。
• 2. 使用继承 Thread 类的方式创建多线程时，编写简单，如果需要访问当前线程，则无需使用 Thread.currentThread() 方法，直接使用 this 即可获得当前线程。

9. 线程的几个主要概念

在多线程编程时，你需要了解以下几个概念：

• 线程同步
• 线程间通信
• 线程死锁
• 线程控制：挂起、停止和恢复

10. 多线程的使用

有效利用多线程的关键是理解程序是并发执行而不是串行执行的。例如：程序中有两个子系统需要并发执行，这时候就需要利用多线程编程。

通过对多线程的使用，可以编写出非常高效的程序。不过请注意，如果你创建太多的线程，程序执行的效率实际上是降低了，而不是提升了。

请记住，上下文的切换开销也很重要，如果你创建了太多的线程，CPU 花费在上下文的切换的时间将多于执行程序的时间！

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