Java多線程的介紹和使用

1.概述

Java 給多線程編程提供了內置的支持。 一條線程指的是進程中一個單一順序的控制流，一個進程中可以并發多個線程，每條線程并行執行不同的任務。

多線程是多任務的一種特別的形式，但多線程使用了更小的資源開銷。

這里定義和線程相關的另一個術語 - 進程：一個進程包括由操作系統分配的內存空間，包含一個或多個線程。一個線程不能獨立的存在，它必須是進程的一部分。一個進程一直運行，直到所有的非守護線程都結束運行后才能結束。

多線程能滿足程序員編寫高效率的程序來達到充分利用 CPU 的目的。

2.一個線程的生命周期

線程是一個動態執行的過程，它也有一個從產生到死亡的過程。

下圖顯示了一個線程完整的生命周期。

• 新建狀態:

  使用 new 關鍵字和 Thread 類或其子類建立一個線程對象后，該線程對象就處于新建狀態。它保持這個狀態直到程序 start() 這個線程。

• 就緒狀態:

  當線程對象調用了 start() 方法之后，該線程就進入就緒狀態。就緒狀態的線程處于就緒隊列中，要等待JVM里線程調度器的調度。

• 運行狀態:

  如果就緒狀態的線程獲取 CPU 資源，就可以執行 run()，此時線程便處于運行狀態。處于運行狀態的線程最為復雜，它可以變為阻塞狀態、就緒狀態和死亡狀態。

• 阻塞狀態:

  如果一個線程執行了 sleep（睡眠）、suspend（掛起）等方法，失去所占用資源之后，該線程就從運行狀態進入阻塞狀態。在睡眠時間已到或獲得設備資源后可以重新進入就緒狀態。可以分為三種：

  • 等待阻塞：運行狀態中的線程執行 wait() 方法，使線程進入到等待阻塞狀態。
  • 同步阻塞：線程在獲取 synchronized 同步鎖失敗(因為同步鎖被其他線程占用)。
  • 其他阻塞：通過調用線程的 sleep() 或 join() 發出了 I/O 請求時，線程就會進入到阻塞狀態。當 sleep() 狀態超時，join() 等待線程終止或超時，或者 I/O 處理完畢，線程重新轉入就緒狀態。

• 死亡狀態:

  一個運行狀態的線程完成任務或者其他終止條件發生時，該線程就切換到終止狀態。

3.線程的優先級

每一個 Java 線程都有一個優先級，這樣有助于操作系統確定線程的調度順序。

Java 線程的優先級是一個整數，其取值范圍是 1 （Thread.MIN_PRIORITY ） - 10 （Thread.MAX_PRIORITY ）。

默認情況下，每一個線程都會分配一個優先級 NORM_PRIORITY（5）。

具有較高優先級的線程對程序更重要，并且應該在低優先級的線程之前分配處理器資源。但是，線程優先級不能保證線程執行的順序，而且非常依賴于平臺。

4.創建一個線程

Java 提供了三種創建線程的方法：

通過實現 Runnable 接口；
通過繼承 Thread 類本身；
通過 Callable 和 Future 創建線程。

5.通過實現Runnable接口來創建線程

創建一個線程，最簡單的方法是創建一個實現 Runnable 接口的類。

為了實現 Runnable，一個類只需要執行一個方法調用 run()，聲明如下：

public void run()

你可以重寫該方法，重要的是理解的 run() 可以調用其他方法，使用其他類，并聲明變量，就像主線程一樣。

在創建一個實現 Runnable 接口的類之后，你可以在類中實例化一個線程對象。

Thread 定義了幾個構造方法，下面的這個是我們經常使用的：

Thread(Runnable threadOb,String threadName);

這里，threadOb 是一個實現 Runnable 接口的類的實例，并且 threadName 指定新線程的名字。

新線程創建之后，你調用它的 start() 方法它才會運行。

void start();

下面是一個創建線程并開始讓它執行的實例：

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);
            // 讓線程睡眠一會
            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();
   }   
}

編譯以上程序運行結果如下：

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.

6.通過繼承Thread來創建線程

創建一個線程的第二種方法是創建一個新的類，該類繼承 Thread 類，然后創建一個該類的實例。

繼承類必須重寫 run() 方法，該方法是新線程的入口點。它也必須調用 start() 方法才能執行。

該方法盡管被列為一種多線程實現方式，但是本質上也是實現了 Runnable 接口的一個實例。

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);
            // 讓線程睡眠一會
            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();
   }   
}

編譯以上程序運行結果如下：

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.

7.Thread方法

下表列出了 Thread 類的一些重要方法：

測試線程是否處于活動狀態。 上述方法是被 Thread 對象調用的。下面的方法是 Thread 類的靜態方法。

實例

如下的 ThreadClassDemo 程序演示了 Thread 類的一些方法：

DisplayMessage.java 文件代碼：

// 文件名 : DisplayMessage.java
// 通過實現 Runnable 接口創建線程
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 文件代碼：

// 文件名 : GuessANumber.java
// 通過繼承 Thread 類創建線程

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 文件代碼：

// 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...");
   }
}

運行結果如下，每一次運行的結果都不一樣。

Starting hello thread...
Starting goodbye thread...
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
Goodbye
Goodbye
Goodbye
Goodbye
Goodbye
.......

8.通過Callable和Future創建線程

• 創建 Callable 接口的實現類，并實現 call() 方法，該 call() 方法將作為線程執行體，并且有返回值。
• 創建 Callable 實現類的實例，使用 FutureTask 類來包裝 Callable 對象，該 FutureTask 對象封裝了該 Callable 對象的 call() 方法的返回值。
• 使用 FutureTask 對象作為 Thread 對象的 target 創建并啟動新線程。
• 調用 FutureTask 對象的 get() 方法來獲得子線程執行結束后的返回值。

實例

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()+" 的循環變量i的值"+i);  
            if(i==20)  
            {  
                new Thread(ft,"有返回值的線程").start();  
            }  
        }  
        try  
        {  
            System.out.println("子線程的返回值："+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;  
    }  
}

9.創建線程的三種方式的對比

• 采用實現 Runnable、Callable 接口的方式創建多線程時，線程類只是實現了 Runnable 接口或 Callable 接口，還可以繼承其他類。
• 使用繼承 Thread 類的方式創建多線程時，編寫簡單，如果需要訪問當前線程，則無需使用 Thread.currentThread() 方法，直接使用 this 即可獲得當前線程。

10.線程的幾個主要概念

在多線程編程時，你需要了解以下幾個概念：

• 線程同步
• 線程間通信
• 線程死鎖
• 線程控制：掛起、停止和恢復

11.多線程的使用

有效利用多線程的關鍵是理解程序是并發執行而不是串行執行的。例如：程序中有兩個子系統需要并發執行，這時候就需要利用多線程編程。

通過對多線程的使用，可以編寫出非常高效的程序。不過請注意，如果你創建太多的線程，程序執行的效率實際上是降低了，而不是提升了。

請記住，上下文的切換開銷也很重要，如果你創建了太多的線程，CPU 花費在上下文的切換的時間將多于執行程序的時間！