Java 多线程编程

时间: 2020-10-8｜tag：｜43次围观｜0 条评论

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。

Java 多线程编程插图

  • 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：

实例

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.

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

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.

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：

//
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
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

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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