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：
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：
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。
下面是一个创建线程并开始让它执行的实例：
实例
1 class RunnableDemo implements Runnable { 2 private Thread t; 3 private String threadName; 4 5 RunnableDemo( String name) { 6 threadName = name; 7 System.out.println("Creating " + threadName ); 8 } 9 10 public void run() { 11 System.out.println("Running " + threadName ); 12 try { 13 for(int i = 4; i > 0; i--) { 14 System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i); 15 // 让线程睡眠一会 16 Thread.sleep(50); 17 } 18 }catch (InterruptedException e) { 19 System.out.println("Thread " + threadName + " interrupted."); 20 } 21 System.out.println("Thread " + threadName + " exiting."); 22 } 23 24 public void start () { 25 System.out.println("Starting " + threadName ); 26 if (t == null) { 27 t = new Thread (this, threadName); 28 t.start (); 29 } 30 } 31 } 32 33 public class TestThread { 34 35 public static void main(String args[]) { 36 RunnableDemo R1 = new RunnableDemo( "Thread-1"); 37 R1.start(); 38 39 RunnableDemo R2 = new RunnableDemo( "Thread-2"); 40 R2.start(); 41 } 42 }
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。
实例
1 class ThreadDemo extends Thread { 2 private Thread t; 3 private String threadName; 4 5 ThreadDemo( String name) { 6 threadName = name; 7 System.out.println("Creating " + threadName ); 8 } 9 10 public void run() { 11 System.out.println("Running " + threadName ); 12 try { 13 for(int i = 4; i > 0; i--) { 14 System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i); 15 // 让线程睡眠一会 16 Thread.sleep(50); 17 } 18 }catch (InterruptedException e) { 19 System.out.println("Thread " + threadName + " interrupted."); 20 } 21 System.out.println("Thread " + threadName + " exiting."); 22 } 23 24 public void start () { 25 System.out.println("Starting " + threadName ); 26 if (t == null) { 27 t = new Thread (this, threadName); 28 t.start (); 29 } 30 } 31 } 32 33 public class TestThread { 34 35 public static void main(String args[]) { 36 ThreadDemo T1 = new ThreadDemo( "Thread-1"); 37 T1.start(); 38 39 ThreadDemo T2 = new ThreadDemo( "Thread-2"); 40 T2.start(); 41 } 42 }
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：
| 序号 | 方法描述 |
|---|---|
| 1 | public void start() 使该线程开始执行；Java 虚拟机调用该线程的 run 方法。 |
| 2 | public void run() 如果该线程是使用独立的 Runnable 运行对象构造的，则调用该 Runnable 对象的 run 方法；否则，该方法不执行任何操作并返回。 |
| 3 | public final void setName(String name) 改变线程名称，使之与参数 name 相同。 |
| 4 | public final void setPriority(int priority) 更改线程的优先级。 |
| 5 | public final void setDaemon(boolean on) 将该线程标记为守护线程或用户线程。 |
| 6 | public final void join(long millisec) 等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。 |
| 7 | public void interrupt() 中断线程。 |
| 8 | public final boolean isAlive() 测试线程是否处于活动状态。 |
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。
| 序号 | 方法描述 |
|---|---|
| 1 | public static void yield() 暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。 |
| 2 | public static void sleep(long millisec) 在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠（暂停执行），此操作受到系统计时器和调度程序精度和准确性的影响。 |
| 3 | public static boolean holdsLock(Object x) 当且仅当当前线程在指定的对象上保持监视器锁时，才返回 true。 |
| 4 | public static Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用。 |
| 5 | public static void dumpStack() 将当前线程的堆栈跟踪打印至标准错误流。 |
实例
如下的ThreadClassDemo 程序演示了Thread类的一些方法：
DisplayMessage.java 文件代码：
1 // 文件名 : DisplayMessage.java 2 // 通过实现 Runnable 接口创建线程 3 public class DisplayMessage implements Runnable { 4 private String message; 5 6 public DisplayMessage(String message) { 7 this.message = message; 8 } 9 10 public void run() { 11 while(true) { 12 System.out.println(message); 13 } 14 } 15 }
GuessANumber.java 文件代码：
1 // 文件名 : GuessANumber.java 2 // 通过继承 Thread 类创建线程 3 4 public class GuessANumber extends Thread { 5 private int number; 6 public GuessANumber(int number) { 7 this.number = number; 8 } 9 10 public void run() { 11 int counter = 0; 12 int guess = 0; 13 do { 14 guess = (int) (Math.random() * 100 + 1); 15 System.out.println(this.getName() + " guesses " + guess); 16 counter++; 17 } while(guess != number); 18 System.out.println("** Correct!" + this.getName() + "in" + counter + "guesses.**"); 19 } 20 }
ThreadClassDemo.java 文件代码：
1 // 文件名 : ThreadClassDemo.java 2 public class ThreadClassDemo { 3 4 public static void main(String [] args) { 5 Runnable hello = new DisplayMessage("Hello"); 6 Thread thread1 = new Thread(hello); 7 thread1.setDaemon(true); 8 thread1.setName("hello"); 9 System.out.println("Starting hello thread..."); 10 thread1.start(); 11 12 Runnable bye = new DisplayMessage("Goodbye"); 13 Thread thread2 = new Thread(bye); 14 thread2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY); 15 thread2.setDaemon(true); 16 System.out.println("Starting goodbye thread..."); 17 thread2.start(); 18 19 System.out.println("Starting thread3..."); 20 Thread thread3 = new GuessANumber(27); 21 thread3.start(); 22 try { 23 thread3.join(); 24 }catch(InterruptedException e) { 25 System.out.println("Thread interrupted."); 26 } 27 System.out.println("Starting thread4..."); 28 Thread thread4 = new GuessANumber(75); 29 30 thread4.start(); 31 System.out.println("main() is ending..."); 32 } 33 }
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
.......
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。
实例
1 public class CallableThreadTest implements Callable<Integer> { 2 public static void main(String[] args) 3 { 4 CallableThreadTest ctt = new CallableThreadTest(); 5 FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(ctt); 6 for(int i = 0;i < 100;i++) 7 { 8 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 的循环变量i的值"+i); 9 if(i==20) 10 { 11 new Thread(ft,"有返回值的线程").start(); 12 } 13 } 14 try 15 { 16 System.out.println("子线程的返回值："+ft.get()); 17 } catch (InterruptedException e) 18 { 19 e.printStackTrace(); 20 } catch (ExecutionException e) 21 { 22 e.printStackTrace(); 23 } 24 25 } 26 @Override 27 public Integer call() throws Exception 28 { 29 int i = 0; 30 for(;i<100;i++) 31 { 32 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i); 33 } 34 return i; 35 } 36 }
创建线程的三种方式的对比
-
1. 采用实现 Runnable、Callable 接口的方式创见多线程时，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！
