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Java 多线程编程

Java 给多线程编程提供了内置的支持。一个多线程程序包含两个或多个能并发运行的部分。程序的每一部分都称作一个线程，并且每个线程定义了一个独立的执行路径。

多线程是多任务的一种特别的形式。多线程比多任务需要更小的开销。

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，直到所有的非守候线程都结束运行后才能结束。

多线程能满足程序员编写非常有效率的程序来达到充分利用 CPU 的目的，因为 CPU 的空闲时间能够保持在最低限度。

一个线程的生命周期

线程经过其生命周期的各个阶段。下图显示了一个线程完整的生命周期。

线程 

  • 新建（new Thread）

    当创建Thread类的一个实例（对象）时，此线程进入新建状态（未被启动）。
    例如：Thread  t1=new Thread();

  • 就绪（runnable）
    线程已经被启动，正在等待被分配给 CPU 时间片，也就是说此时线程正在就绪队列中排队等候得到 CPU 资源。
    例如：t1.start();

  • 运行（running）
    线程获得 CPU 资源正在执行任务（ run() 方法），此时除非此线程自动放弃 CPU 资源或者有优先级更高的线程进入，线程将一直运行到结束。

  • 堵塞（blocked）由于某种原因导致正在运行的线程让出CPU并暂停自己的执行，即进入堵塞状态。

    正在睡眠：用 sleep(long t) 方法可使线程进入睡眠方式。一个睡眠着的线程在指定的时间过去可进入就绪状态。

    正在等待：调用 wait() 方法。（调用 motify() 方法回到就绪状态）

    被另一个线程所阻塞：调用 suspend() 方法。（调用 resume() 方法恢复）

  • 死亡（dead）当线程执行完毕或被其它线程杀死，线程就进入死亡状态，这时线程不可能再进入就绪状态等待执行。

    自然终止：正常运行 run() 方法后终止

    异常终止：调用 stop() 方法让一个线程终止运行

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 优先级在 MIN_PRIORITY（1）和 MAX_PRIORITY（10）之间的范围内。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时间。然而，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();

实例

下面是一个创建线程并开始让它执行的实例：

// 创建一个新的线程
class NewThread implements Runnable {
   Thread t;
   NewThread() {
      // 创建第二个新线程
      t = new Thread(this, "Demo Thread");
      System.out.println("Child thread: " + t);
      t.start(); // 开始线程
   }
  
   // 第二个线程入口
   public void run() {
      try {
         for(int i = 5; i > 0; i--) {
            System.out.println("Child Thread: " + i);
            // 暂停线程
            Thread.sleep(50);
         }
     } catch (InterruptedException e) {
         System.out.println("Child interrupted.");
     }
     System.out.println("Exiting child thread.");
   }
}
 
public class ThreadDemo {
   public static void main(String args[]) {
      new NewThread(); // 创建一个新线程
      try {
         for(int i = 5; i > 0; i--) {
           System.out.println("Main Thread: " + i);
           Thread.sleep(100);
         }
      } catch (InterruptedException e) {
         System.out.println("Main thread interrupted.");
      }
      System.out.println("Main thread exiting.");
   }
}

编译以上程序运行结果如下：

Child thread: Thread[Demo Thread,5,main]
Main Thread: 5
Child Thread: 5
Child Thread: 4
Main Thread: 4
Child Thread: 3
Child Thread: 2
Main Thread: 3
Child Thread: 1
Exiting child thread.
Main Thread: 2
Main Thread: 1
Main thread 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

// 通过继承 Thread 创建线程
class NewThread extends Thread {
   NewThread() {
      // 创建第二个新线程
      super("Demo Thread");
      System.out.println("Child thread: " + this);
      start(); // 开始线程
   }
 
   // 第二个线程入口
   public void run() {
      try {
         for(int i = 5; i > 0; i--) {
            System.out.println("Child Thread: " + i);
                            // 让线程休眠一会
            Thread.sleep(50);
         }
      } catch (InterruptedException e) {
         System.out.println("Child interrupted.");
      }
      System.out.println("Exiting child thread.");
   }
}
 
public class ExtendThread {
   public static void main(String args[]) {
      new NewThread(); // 创建一个新线程
      try {
         for(int i = 5; i > 0; i--) {
            System.out.println("Main Thread: " + i);
            Thread.sleep(100);
         }
      } catch (InterruptedException e) {
         System.out.println("Main thread interrupted.");
      }
      System.out.println("Main thread exiting.");
   }
}

编译以上程序运行结果如下：

Child thread: Thread[Demo Thread,5,main]
Main Thread: 5
Child Thread: 5
Child Thread: 4
Main Thread: 4
Child Thread: 3
Child Thread: 2
Main Thread: 3
Child Thread: 1
Exiting child thread.
Main Thread: 2
Main Thread: 1
Main thread 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：

// 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);
      }
   }
}

GuessANumber.java 文件代码：

// 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.**");
   }
}

ThreadClassDemo.java 文件代码：

// 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
Hello
Hello
Hello
Starting thread3...
Hello
Hello
Starting thread4...
Hello
Hello
main() is ending...

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 

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;  
    }  
}

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！


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