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Java 多线程编程

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Java 给多线程编程提供了内置的支持。一个多线程程序包含两个或多个能并发运行的部分。程序的每一部分都称作一个线程,并且每个线程定义了一个独立的执行路径。

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,直到所有的非守候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。


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 Runable 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); // 让线程睡醒一会 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:

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

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。

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

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 接口的方式创见多线程时,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!


结束线程

线程属于一次性消耗品,在执行完run()方法之后线程便会正常结束了,线程结束后便会销毁,不能再次start,只能重新建立新的线程对象,但有时run()方法是永远不会结束的。例如在程序中使用线程进行Socket监听请求,或是其他的需要循环处理的任务。在这种情况下,一般是将这些任务放在一个循环中,如while循环。当需要结束线程时,如何退出线程呢?

有三种方法可以结束线程:

  1. 设置退出标志,使线程正常退出,也就是当run()方法完成后线程终止
  2. 使用interrupt()方法中断线程
  3. 使用stop方法强行终止线程(不推荐使用,Thread.stop, Thread.suspend, Thread.resume 和Runtime.runFinalizersOnExit 这些终止线程运行的方法已经被废弃,使用它们是极端不安全的!)

前两种方法都可以实现线程的正常退出;第3种方法相当于电脑断电关机一样,是不安全的方法。

1.使用退出标志终止线程

一般run()方法执行完,线程就会正常结束,然而,常常有些线程是伺服线程。它们需要长时间的运行,只有在外部某些条件满足的情况下,才能关闭这些线程。使用一个变量来控制循环,例如:最直接的方法就是设一个boolean类型的标志,并通过设置这个标志为true或false来控制while循环是否退出,代码示例:

public class ThreadSafe extends Thread
{
    public volatile boolean exit = false; 
    public void run()
    { 
        while (!exit)
        {
            //do something
        }
    }
    public void setExit(boolean outexit)
    {
        exit=outexit;
    }
}

定义了一个退出标志exit,当exit为true时,while循环退出,exit的默认值为false.在定义exit时,使用了一个Java关键字volatile,这个关键字的目的是使exit同步,也就是说在同一时刻只能由一个线程来修改exit的值。当外部程序调用如下代码时,线程自动退出:

线程实例名.setExit(true);

2.使用interrupt()方法中断当前线程

使用interrupt()方法来中断线程有两种情况:

(1)线程处于阻塞状态,如使用了sleep,同步锁的wait,socket中的receiver,accept等方法时,会使线程处于阻塞状态。当调用线程的interrupt()方法时,会抛出InterruptException异常。阻塞中的那个方法抛出这个异常,通过代码捕获该异常,然后break跳出循环状态,从而让我们有机会结束这个线程的执行。通常很多人认为只要调用interrupt方法线程就会结束,实际上是错的, 一定要先捕获InterruptedException异常之后通过break来跳出循环,才能正常结束run方法。

代码示例:

public class ThreadSafe extends Thread {
    public void run() { 
        while (true){
            try{
                    Thread.sleep(5*1000);//阻塞5妙
                }catch(InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                    break;//捕获到异常之后,执行break跳出循环。
                }
        }
    } 
}

(2)线程未处于阻塞状态,使用isInterrupted()判断线程的中断标志来退出循环。当使用interrupt()方法时,中断标志就会置true,和使用自定义的标志来控制循环是一样的道理。

代码示例:

public class ThreadSafe extends Thread {
    public void run() { 
        while (!isInterrupted()){
            //do something, but no throw InterruptedException
        }
    } 
}

为什么要区分进入阻塞状态和和非阻塞状态两种情况了,是因为当阻塞状态时,如果有interrupt()发生,系统除了会抛出InterruptedException异常外,还会调用interrupted()函数,调用时能获取到中断状态是true的状态,调用完之后会复位中断状态为false,所以异常抛出之后通过isInterrupted()是获取不到中断状态是true的状态,从而不能退出循环,因此在线程未进入阻塞的代码段时是可以通过isInterrupted()来判断中断是否发生来控制循环,在进入阻塞状态后要通过捕获异常来退出循环。因此使用interrupt()来退出线程的最好的方式应该是两种情况都要考虑:

代码示例:

public class ThreadSafe extends Thread {
    public void run() { 
        while (!isInterrupted()){ //非阻塞过程中通过判断中断标志来退出
            try{
                Thread.sleep(5*1000);//阻塞过程捕获中断异常来退出
            }catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
                break;//捕获到异常之后,执行break跳出循环。
            }
        }
    } 
}

3.使用stop方法终止线程

程序中可以直接使用thread.stop()来强行终止线程,但是stop方法是很危险的,就象突然关闭计算机电源,而不是按正常程序关机一样,可能会产生不可预料的结果,不安全主要是:thread.stop()调用之后,创建子线程的线程就会抛出ThreadDeatherror的错误,并且会释放子线程所持有的所有锁。一般任何进行加锁的代码块,都是为了保护数据的一致性,如果在调用thread.stop()后导致了该线程所持有的所有锁的突然释放(不可控制),那么被保护数据就有可能呈现不一致性,其他线程在使用这些被破坏的数据时,有可能导致一些很奇怪的应用程序错误。因此,并不推荐使用stop方法来终止线程。

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