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  • Java多线程编程

    一、基本概念

    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。


    二、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。


    三、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。

    四、创建一个线程的三种方法

    Java 提供了三种创建线程的方法:

    • 通过继承 Thread 类本身;
    • 通过实现 Runnable 接口;
    • 通过 Callable 和 Future 创建线程。

    1、通过继承Thread来创建线程

    创建一个线程的第一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:

    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.

    2、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.

    3、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;  
        }  
    }

    4、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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