【教程】Java 多线程编程

「爱情、让人受尽委屈。」 2022-03-06 09:36 104阅读 0赞

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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。

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## 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-thread.jpg][]

*  **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。

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## 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。

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## 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。

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## 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：

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.

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## 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。

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：

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## Thread 方法 ##

下表列出了**Thread类**的一些重要方法：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <th>序号</th> 
 <th>方法描述</th> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>1</td> 
 <td>public void start() 使该线程开始执行；Java&nbsp;虚拟机调用该线程的&nbsp;run&nbsp;方法。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>2</td> 
 <td>public void run() 如果该线程是使用独立的&nbsp;Runnable&nbsp;运行对象构造的，则调用该&nbsp;Runnable&nbsp;对象的&nbsp;run&nbsp;方法；否则，该方法不执行任何操作并返回。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>3</td> 
 <td>public final void setName(String name) 改变线程名称，使之与参数&nbsp;name&nbsp;相同。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>4</td> 
 <td>public final void setPriority(int priority) &nbsp;更改线程的优先级。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>5</td> 
 <td>public final void setDaemon(boolean on) 将该线程标记为守护线程或用户线程。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>6</td> 
 <td>public final void join(long millisec) 等待该线程终止的时间最长为&nbsp;millis&nbsp;毫秒。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>7</td> 
 <td>public void interrupt() 中断线程。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>8</td> 
 <td>public final boolean isAlive() 测试线程是否处于活动状态。</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

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**。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <th>序号</th> 
 <th>方法描述</th> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>1</td> 
 <td>public static void yield() 暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>2</td> 
 <td>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。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>3</td> 
 <td>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&nbsp;true。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>4</td> 
 <td>public static Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>5</td> 
 <td>public static void dumpStack() 将当前线程的堆栈跟踪打印至标准错误流。</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 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);
          }
       }
    }

// 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
>     .......

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## 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。

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; 
 } 
 }

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## 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。

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## 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

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## 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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