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（new）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（Runable）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（Running）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（Blocked）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（Dead）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：

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：

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！

进程和线程的区别

进程：应用程序的执行实例，有独立的内存空间和系统资源

线程：CPU调度和分派的基本单位，进程中执行运算的最小单位，可完成一个独立的顺序控制流程

进程和线程的关系

（1）一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。

（2）资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。 同一进程中的多个线程共享代码段(代码和常量)，数据段(全局变量和静态变量)，扩展段(堆存储)。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。

（3）处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程。

（4）线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

线程安全问题

产生原因：多个线程竞争同一资源（访问同一数据），可参考经典的生产者消费者问题。

解决方案：

run 方法内：同步代码块 synchronized {}

Public synchronized 返回值类型 方法名（）{} 自动释放对象锁

使用 Lock 锁

Lock 锁需要程序员（在 finally 代码块中）手动释放。

Lock lock=new ReentranttLock()    // Reentrant（可重用的）

Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作，是 JDK1.5 之后出现的。

Lock 接口中的方法:

void lock()   // 获取锁 
void unlock() // 释放锁 

Lock 接口的实现类:

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock implements Lock

使用步骤:

•  1.在成员位置创建一个 ReentrantLock 对象。
•  2.在可能出现线程安全问题的代码前，调用 Lock 接口中的方法 lock 获取锁对象。
•  3.在可能出现线程安全问题的代码后，调用 Lock 接口中的方法 unlock 释放锁对象。

public class RunnableImpl implements Runnable{
    //定义一个共享的票源
    private int ticket = 100;
    //1.在成员位置创建一个ReentrantLock对象
    Lock l = new ReentrantLock();
    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让卖票重复的执行
        while(true){
            //2.在可能出现线程安全问题的代码前,调用Lock接口中的方法lock获取锁对象
            l.lock();
            //判断票是否大于0
            if(ticket>0){
                //为了提高线程安全问题出现的几率,让程序睡眠10毫秒
                try {
                    //可能会产生异常的代码
                    Thread.sleep(10);
                    //进行卖票 ticket--
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在卖第"+ticket+"张票!");
                    ticket--;
                } catch (InterruptedException e) {
                    //异常的处理逻辑
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    //一定会执行的代码,一般用于资源释放(资源回收)
                    //3.在可能出现线程安全问题的代码后,调用Lock接口中的方法unlock释放锁对象
                    l.unlock();//无论程序是否有异常,都让锁对象释放掉,节约内存,提高程序的效率
                }
            }
        }
    }
}

CompletableFuture 回调

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CompletableFutureDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long l = System.currentTimeMillis();
        CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("执行耗时操作...");
            timeConsumingOperation();
            return 100;
        });
        completableFuture.whenComplete((result, e) -> {
            System.out.println("结果：" + result);
        });
        System.out.println("主线程运算耗时:" + (System.currentTimeMillis() - l) + " ms");
        new CountDownLatch(1).await();
    }

    static void timeConsumingOperation() {
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

控制台输出：

执行耗时操作...
主线程运算耗时:74 ms
结果：100

可以发现耗时操作没有占用主线程的时间片，达到了异步调用的效果。我们也不需要引入任何第三方的依赖，这都是依赖于 java.util.concurrent.CompletableFuture 的出现。CompletableFuture 提供了近 50 多个方法，大大便捷了 java 多线程操作，和异步调用的写法。