Java学习(十九)：多线程编程

内容导读

互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了Java学习(十九)：多线程编程，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含13606字，纯文字阅读大概需要20分钟。

内容图文

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。

JAVA多线程实现：

1，继承Thread类；

2，实现Runnable接口；

3，使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回值的多线程。

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。

线程的状态

public enum State { NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED; }

• NEW 状态是指线程刚创建, 尚未启动
• RUNNABLE 状态是线程正在正常运行中, 当然可能会有某种耗时计算/IO等待的操作/CPU时间片切换等, 这个状态下发生的等待一般是其他系统资源, 而不是锁, Sleep等
• BLOCKED 这个状态下, 是在多个线程有同步操作的场景, 比如正在等待另一个线程的synchronized 块的执行释放, 或者可重入的 synchronized块里别人调用wait() 方法, 也就是这里是线程在等待进入临界区
• WAITING 这个状态下是指线程拥有了某个锁之后, 调用了他的wait方法, 等待其他线程/锁拥有者调用 notify / notifyAll 一遍该线程可以继续下一步操作, 这里要区分 BLOCKED 和 WATING 的区别, 一个是在临界点外面等待进入, 一个是在理解点里面wait等待别人notify, 线程调用了join方法 join了另外的线程的时候, 也会进入WAITING状态, 等待被他join的线程执行结束
• TIMED_WAITING 这个状态就是有限的(时间限制)的WAITING, 一般出现在调用wait(long), join(long)等情况下, 另外一个线程sleep后, 也会进入TIMED_WAITING状态
• TERMINATED 这个状态下表示 该线程的run方法已经执行完毕了, 基本上就等于死亡了(当时如果线程被持久持有, 可能不会被回收)

java层次的状态转换图

操作系统层次的状态转换图

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。

Runnable类信息

@FunctionalInterface

public interface Runnable {

public abstract void run();

}

实现 Runnable

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。

1 class MyRunnable implements Runnable {
 2     private int i = 0;
 3 
 4     @Override
 5     public void run() {
 6         for (i = 0; i < 100; i++) {
 7             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
 8         }
 9     }
10 }

继承 Thread 类

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。

1 class MyThread extends Thread {
 2     
 3     private int i = 0;
 4 
 5     @Override
 6     public void run() {
 7         for (i = 0; i < 100; i++) {
 8             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
 9         }
10     }
11 }

Thread类信息 

// Thread本身也是继承了Runnable接口
public class Thread implements Runnable {
    private volatile char  name[];
    private int            priority;
    private Thread         threadQ;
    private long           eetop;

    private boolean     single_step;
    private boolean     daemon = false;

    // 虚拟机状态
    private boolean     stillborn = false;

    // 实际的线程任务
    private Runnable target;

    private ThreadGroup group;
    private ClassLoader contextClassLoader;
    private AccessControlContext inheritedAccessControlContext;

    // 所有初始化线程的数目
    private static int threadInitNumber;
    private static synchronized int nextThreadNum() {
        return threadInitNumber++;
    }

    // 这是为ThreadLocal类维护的一些变量
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

    private long stackSize;
    private long nativeParkEventPointer;

    // 线程id相关
    private long tid;
    private static long threadSeqNumber;
    private static synchronized long nextThreadID() {
        return ++threadSeqNumber;
    }
    // 线程状态
    private volatile int threadStatus = 0;

    volatile Object parkBlocker;
    private volatile Interruptible blocker;
    private final Object blockerLock = new Object();
    void blockedOn(Interruptible b) {
        synchronized (blockerLock) {
            blocker = b;
        }
    }

    // java中的线程总共分了10个优先级
    // 最小优先级为1，最大为10，默认为5
    public final static int MIN_PRIORITY = 1;
    public final static int NORM_PRIORITY = 5;
    public final static int MAX_PRIORITY = 10;
}

Thread 方法

下表列出了Thread类的一些重要方法：

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。

通过 Callable 和 Future 创建线程

Callable接口中call方法是线程的执行体。下面是两个接口实现执行体的不同:

    (1) call方法有返回值，但是run方法没有

    (2) call方法可以生命抛出异常

所以可以说Callable接口是Runnable接口的增强版本

Future接口是对Callable任务的执行结果进行取消，查询是否完成，获取结果的。

在Runnable中run方法为线程的执行体，但是在

• 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;  
    }  
}

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。

线程池

线程池，其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。

线程池主要用来解决线程生命周期开销问题和资源不足问题。通过对多个任务重复使用线程，线程创建的开销就被分摊到了多个任务上了，而且由于在请求到达时线程已经存在，所以消除了线程创建所带来的延迟。这样，就可以立即为请求服务，使用应用程序响应更快；另外，通过适当的调整线程中的线程数目可以防止出现资源不足的情况。

线程池都是通过线程池工厂创建，再调用线程池中的方法获取线程，再通过线程去执行任务方法。

• Executors：线程池创建工厂类
• public static ExecutorServicenewFixedThreadPool(int nThreads)：返回线程池对象
• ExecutorService：线程池类
• Future<?> submit(Runnable task)：获取线程池中的某一个线程对象，并执行
• Future 接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用

Executors提供四种线程池，分别为：

newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。

newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。

newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。

newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

newCachedThreadPool

创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。示例代码如下：

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int index = i;
try {
Thread.sleep(index * 1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
 
cachedThreadPool.execute(new Runnable() {
 
@Override
public void run() {
System.out.println(index);
}
});
}

线程池为无限大，当执行第二个任务时第一个任务已经完成，会复用执行第一个任务的线程，而不用每次新建线程。

 newFixedThreadPool

创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。示例代码如下：

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int index = i;
fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
 
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(index);
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
});
}

因为线程池大小为3，每个任务输出index后sleep 2秒，所以每两秒打印3个数字。

定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()。可参考PreloadDataCache。

newScheduledThreadPool

创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下：

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
 
@Override
public void run() {
System.out.println("delay 3 seconds");
}
}, 3, TimeUnit.SECONDS);

表示延迟3秒执行。

定期执行示例代码如下：

scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
 
@Override
public void run() {
System.out.println("delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");
}
}, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);

表示延迟1秒后每3秒执行一次。

ScheduledExecutorService比Timer更安全，功能更强大，后面会有一篇单独进行对比。

newSingleThreadExecutor

创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码如下：

ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int index = i;
singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
 
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(index);
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
});
}

结果依次输出，相当于顺序执行各个任务。

现行大多数GUI程序都是单线程的。Android中单线程可用于数据库操作，文件操作，应用批量安装，应用批量删除等不适合并发但可能IO阻塞性及影响UI线程响应的操作。

实现并启动线程有两种方法

•  1、写一个类继承自 Thread 类，重写 run 方法。用 start 方法启动线程
•  2、写一个类实现 Runnable 接口，实现 run 方法。用 new Thread(Runnable target).start() 方法来启动

多线程原理：相当于玩游戏机，只有一个游戏机（cpu），可是有很多人要玩，于是，start 是排队！等 CPU 选中你就是轮到你，你就 run()，当 CPU 的运行的时间片执行完，这个线程就继续排队，等待下一次的run()。

调用 start() 后，线程会被放到等待队列，等待 CPU 调度，并不一定要马上开始执行，只是将这个线程置于可动行状态。然后通过 JVM，线程 Thread 会调用 run() 方法，执行本线程的线程体。先调用 start 后调用 run，这么麻烦，为了不直接调用 run？就是为了实现多线程的优点，没这个 start 不行。

•  1.start() 方法来启动线程，真正实现了多线程运行。这时无需等待 run 方法体代码执行完毕，可以直接继续执行下面的代码；通过调用 Thread 类的 start() 方法来启动一个线程， 这时此线程是处于就绪状态， 并没有运行。 然后通过此 Thread 类调用方法 run() 来完成其运行操作的， 这里方法 run() 称为线程体，它包含了要执行的这个线程的内容， run 方法运行结束， 此线程终止。然后 CPU 再调度其它线程。
• 2.run() 方法当作普通方法的方式调用。程序还是要顺序执行，要等待 run 方法体执行完毕后，才可继续执行下面的代码； 程序中只有主线程——这一个线程， 其程序执行路径还是只有一条， 这样就没有达到写线程的目的。

记住：多线程就是分时利用 CPU，宏观上让所有线程一起执行 ，也叫并发。

线程间的通信方式

①同步

这里讲的同步是指多个线程通过synchronized关键字这种方式来实现线程间的通信。

线程A和线程B持有同一个MyObject类的对象object，尽管这两个线程需要调用不同的方法，但是它们是同步执行的，比如：线程B需要等待线程A执行完了methodA()方法之后，它才能执行methodB()方法。这样，线程A和线程B就实现了 通信。

这种方式，本质上就是“共享内存”式的通信。多个线程需要访问同一个共享变量，谁拿到了锁（获得了访问权限），谁就可以执行。

②while轮询的方式

线程A不断地改变条件，线程ThreadB不停地通过while语句检测这个条件(list.size()==5)是否成立 ，从而实现了线程间的通信。但是这种方式会浪费CPU资源。

③wait/notify机制

④管道通信就是使用java.io.PipedInputStream 和 java.io.PipedOutputStream进行通信。

分布式系统中说的两种通信机制：共享内存机制和消息通信机制。感觉前面的①中的synchronized关键字和②中的while轮询 “属于” 共享内存机制，由于是轮询的条件使用了volatile关键字修饰时，这就表示它们通过判断这个“共享的条件变量“是否改变了，来实现进程间的交流。

而管道通信，更像消息传递机制，也就是说：通过管道，将一个线程中的消息发送给另一个。

内容总结

以上是互联网集市为您收集整理的Java学习(十九)：多线程编程全部内容，希望文章能够帮你解决Java学习(十九)：多线程编程所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。

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