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。

一个线程的生命周期

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。

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。

创建一个线程

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。

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，你可以在类中实例化一个线程对象。

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 接口的类的实例，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实例：

 1 实例
 2 class RunnableDemo implements Runnable {
 3    private Thread t;
 4    private String threadName;
 5    
 6    RunnableDemo( String name) {
 7       threadName = name;
 8       System.out.println("Creating " +  threadName );
 9    }
10    
11    public void run() {
12       System.out.println("Running " +  threadName );
13       try {
14          for(int i = 4; i > 0; i--) {
15             System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i);
16             // 让线程睡眠一会
17             Thread.sleep(50);
18          }
19       }catch (InterruptedException e) {
20          System.out.println("Thread " +  threadName + " interrupted.");
21       }
22       System.out.println("Thread " +  threadName + " exiting.");
23    }
24    
25    public void start () {
26       System.out.println("Starting " +  threadName );
27       if (t == null) {
28          t = new Thread (this, threadName);
29          t.start ();
30       }
31    }
32 }
33  
34 public class TestThread {
35  
36    public static void main(String args[]) {
37       RunnableDemo R1 = new RunnableDemo( "Thread-1");
38       R1.start();
39       
40       RunnableDemo R2 = new RunnableDemo( "Thread-2");
41       R2.start();
42    }   
43 }

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.

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实例。

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 接口的一个实例。

 1 实例
 2 class ThreadDemo extends Thread {
 3    private Thread t;
 4    private String threadName;
 5    
 6    ThreadDemo( String name) {
 7       threadName = name;
 8       System.out.println("Creating " +  threadName );
 9    }
10    
11    public void run() {
12       System.out.println("Running " +  threadName );
13       try {
14          for(int i = 4; i > 0; i--) {
15             System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i);
16             // 让线程睡眠一会
17             Thread.sleep(50);
18          }
19       }catch (InterruptedException e) {
20          System.out.println("Thread " +  threadName + " interrupted.");
21       }
22       System.out.println("Thread " +  threadName + " exiting.");
23    }
24    
25    public void start () {
26       System.out.println("Starting " +  threadName );
27       if (t == null) {
28          t = new Thread (this, threadName);
29          t.start ();
30       }
31    }
32 }
33  
34 public class TestThread {
35  
36    public static void main(String args[]) {
37       ThreadDemo T1 = new ThreadDemo( "Thread-1");
38       T1.start();
39       
40       ThreadDemo T2 = new ThreadDemo( "Thread-2");
41       T2.start();
42    }   
43 }

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.

Thread 方法

下表列出了Thread类的一些重要方法：

上述方法是被 Thread 对象调用的，下面表格的方法是 Thread 类的静态方法。

实例

如下的ThreadClassDemo 程序演示了Thread类的一些方法：

 1 DisplayMessage.java 文件代码：
 2 // 文件名 : DisplayMessage.java
 3 // 通过实现 Runnable 接口创建线程
 4 public class DisplayMessage implements Runnable {
 5    private String message;
 6    
 7    public DisplayMessage(String message) {
 8       this.message = message;
 9    }
10    
11    public void run() {
12       while(true) {
13          System.out.println(message);
14       }
15    }
16 }

 1 GuessANumber.java 文件代码：
 2 // 文件名 : GuessANumber.java
 3 // 通过继承 Thread 类创建线程
 4  
 5 public class GuessANumber extends Thread {
 6    private int number;
 7    public GuessANumber(int number) {
 8       this.number = number;
 9    }
10    
11    public void run() {
12       int counter = 0;
13       int guess = 0;
14       do {
15          guess = (int) (Math.random() * 100 + 1);
16          System.out.println(this.getName() + " guesses " + guess);
17          counter++;
18       } while(guess != number);
19       System.out.println("** Correct!" + this.getName() + "in" + counter + "guesses.**");
20    }
21 }

 1 ThreadClassDemo.java 文件代码：
 2 // 文件名 : ThreadClassDemo.java
 3 public class ThreadClassDemo {
 4  
 5    public static void main(String [] args) {
 6       Runnable hello = new DisplayMessage("Hello");
 7       Thread thread1 = new Thread(hello);
 8       thread1.setDaemon(true);
 9       thread1.setName("hello");
10       System.out.println("Starting hello thread...");
11       thread1.start();
12       
13       Runnable bye = new DisplayMessage("Goodbye");
14       Thread thread2 = new Thread(bye);
15       thread2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
16       thread2.setDaemon(true);
17       System.out.println("Starting goodbye thread...");
18       thread2.start();
19  
20       System.out.println("Starting thread3...");
21       Thread thread3 = new GuessANumber(27);
22       thread3.start();
23       try {
24          thread3.join();
25       }catch(InterruptedException e) {
26          System.out.println("Thread interrupted.");
27       }
28       System.out.println("Starting thread4...");
29       Thread thread4 = new GuessANumber(75);
30       
31       thread4.start();
32       System.out.println("main() is ending...");
33    }
34 }

运行结果如下，每一次运行的结果都不一样。

 1 Starting hello thread...
 2 Starting goodbye thread...
 3 Hello
 4 Hello
 5 Hello
 6 Hello
 7 Hello
 8 Hello
 9 Goodbye
10 Goodbye
11 Goodbye
12 Goodbye
13 Goodbye
14 .......

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 实现类的实例，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。

 1 实例
 2 public class CallableThreadTest implements Callable<Integer> {
 3     public static void main(String[] args)  
 4     {  
 5         CallableThreadTest ctt = new CallableThreadTest();  
 6         FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(ctt);  
 7         for(int i = 0;i < 100;i++)  
 8         {  
 9             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 的循环变量i的值"+i);  
10             if(i==20)  
11             {  
12                 new Thread(ft,"有返回值的线程").start();  
13             }  
14         }  
15         try  
16         {  
17             System.out.println("子线程的返回值："+ft.get());  
18         } catch (InterruptedException e)  
19         {  
20             e.printStackTrace();  
21         } catch (ExecutionException e)  
22         {  
23             e.printStackTrace();  
24         }  
25   
26     }
27     @Override  
28     public Integer call() throws Exception  
29     {  
30         int i = 0;  
31         for(;i<100;i++)  
32         {  
33             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);  
34         }  
35         return i;  
36     }  
37 }

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。

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

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！