Java 多線程編程
原文出處：菜鳥教程-Java教程
Java 給多線程編程提供了內置的支持。一個多線程程序包含兩個或多個能並發運行的部分。程序的每一部分都稱作一個線程，並且每個線程定義了一個獨立的執行路徑。
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。
這裏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，直到所有的非守候線程都結束運行後才能結束。
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。
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後，該線程對象就處於新建狀態。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()方法之後，該線程就進入就緒狀態。就緒狀態的線程處於就緒隊列中，要等待JVM裏線程調度器的調度。
- 運行狀態:
如果就緒狀態的線程獲取 CPU 資源，就可以執行 run()，此時線程便處於運行狀態。處於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，失去所占用資源之後，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後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。
線程的優先級
每一個 Java 線程都有一個優先級，這樣有助於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，其取值範圍是 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，並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，而且非常依賴於平臺。
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。
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：
1 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，並聲明變量，就像主線程一樣。
在創建一個實現 Runnable 接口的類之後，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：
1 Thread(Runnable threadOb,String threadName);這裏，threadOb 是一個實現 Runnable 接口的類的實例，並且 threadName 指定新線程的名字。
新線程創建之後，你調用它的 start() 方法它才會運行。
1 void start();
下面是一個創建線程並開始讓它執行的實例：
實例
1 class RunnableDemo implements Runnable { 2 private Thread t; 3 private String threadName; 4 5 RunnableDemo( String name) { 6 threadName = name; 7 System.out.println("Creating " + threadName ); 8 } 9 10 public void run() { 11 System.out.println("Running " + threadName ); 12 try { 13 for(int i = 4; i > 0; i--) { 14 System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i); 15 // 讓線程睡眠一會 16 Thread.sleep(50); 17 } 18 }catch (InterruptedException e) { 19 System.out.println("Thread " + threadName + " interrupted."); 20 } 21 System.out.println("Thread " + threadName + " exiting."); 22 } 23 24 public void start () { 25 System.out.println("Starting " + threadName ); 26 if (t == null) { 27 t = new Thread (this, threadName); 28 t.start (); 29 } 30 } 31 } 32 33 public class TestThread { 34 35 public static void main(String args[]) { 36 RunnableDemo R1 = new RunnableDemo( "Thread-1"); 37 R1.start(); 38 39 RunnableDemo R2 = new RunnableDemo( "Thread-2"); 40 R2.start(); 41 } 42 }
編譯以上程序運行結果如下：
1 Creating Thread-1 2 Starting Thread-1 3 Creating Thread-2 4 Starting Thread-2 5 Running Thread-1 6 Thread: Thread-1, 4 7 Running Thread-2 8 Thread: Thread-2, 4 9 Thread: Thread-1, 3 10 Thread: Thread-2, 3 11 Thread: Thread-1, 2 12 Thread: Thread-2, 2 13 Thread: Thread-1, 1 14 Thread: Thread-2, 1 15 Thread Thread-1 exiting. 16 Thread Thread-2 exiting.
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，然後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。
實例
1 class ThreadDemo extends Thread { 2 private Thread t; 3 private String threadName; 4 5 ThreadDemo( String name) { 6 threadName = name; 7 System.out.println("Creating " + threadName ); 8 } 9 10 public void run() { 11 System.out.println("Running " + threadName ); 12 try { 13 for(int i = 4; i > 0; i--) { 14 System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i); 15 // 讓線程睡醒一會 16 Thread.sleep(50); 17 } 18 }catch (InterruptedException e) { 19 System.out.println("Thread " + threadName + " interrupted."); 20 } 21 System.out.println("Thread " + threadName + " exiting."); 22 } 23 24 public void start () { 25 System.out.println("Starting " + threadName ); 26 if (t == null) { 27 t = new Thread (this, threadName); 28 t.start (); 29 } 30 } 31 } 32 33 public class TestThread { 34 35 public static void main(String args[]) { 36 ThreadDemo T1 = new ThreadDemo( "Thread-1"); 37 T1.start(); 38 39 ThreadDemo T2 = new ThreadDemo( "Thread-2"); 40 T2.start(); 41 } 42 }
編譯以上程序運行結果如下：
1 Creating Thread-1 2 Starting Thread-1 3 Creating Thread-2 4 Starting Thread-2 5 Running Thread-1 6 Thread: Thread-1, 4 7 Running Thread-2 8 Thread: Thread-2, 4 9 Thread: Thread-1, 3 10 Thread: Thread-2, 3 11 Thread: Thread-1, 2 12 Thread: Thread-2, 2 13 Thread: Thread-1, 1 14 Thread: Thread-2, 1 15 Thread Thread-1 exiting. 16 Thread Thread-2 exiting.
Thread 方法
下表列出了Thread類的一些重要方法：
序號 | 方法描述 |
1 | public void start() |
2 | public void run() |
3 | public final void setName(String name) |
4 | public final void setPriority(int priority) |
5 | public final void setDaemon(boolean on) |
6 | public final void join(long millisec) |
7 | public void interrupt() |
8 | public final boolean isAlive() |
測試線程是否處於活動狀態。 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。
序號 | 方法描述 |
1 | public static void yield() |
2 | public static void sleep(long millisec) |
3 | public static boolean holdsLock(Object x) |
4 | public static Thread currentThread() |
5 | public static void dumpStack() |
實例
如下的ThreadClassDemo 程序演示了Thread類的一些方法：
DisplayMessage.java 文件代碼：
1 // 文件名 : DisplayMessage.java 2 // 通過實現 Runnable 接口創建線程 3 public class DisplayMessage implements Runnable { 4 private String message; 5 6 public DisplayMessage(String message) { 7 this.message = message; 8 } 9 10 public void run() { 11 while(true) { 12 System.out.println(message); 13 } 14 } 15 }
GuessANumber.java 文件代碼：
1 // 文件名 : GuessANumber.java 2 // 通過繼承 Thread 類創建線程 3 4 public class GuessANumber extends Thread { 5 private int number; 6 public GuessANumber(int number) { 7 this.number = number; 8 } 9 10 public void run() { 11 int counter = 0; 12 int guess = 0; 13 do { 14 guess = (int) (Math.random() * 100 + 1); 15 System.out.println(this.getName() + " guesses " + guess); 16 counter++; 17 } while(guess != number); 18 System.out.println("** Correct!" + this.getName() + "in" + counter + "guesses.**"); 19 } 20 }
ThreadClassDemo.java 文件代碼：
1 // 文件名 : ThreadClassDemo.java 2 public class ThreadClassDemo { 3 4 public static void main(String [] args) { 5 Runnable hello = new DisplayMessage("Hello"); 6 Thread thread1 = new Thread(hello); 7 thread1.setDaemon(true); 8 thread1.setName("hello"); 9 System.out.println("Starting hello thread..."); 10 thread1.start(); 11 12 Runnable bye = new DisplayMessage("Goodbye"); 13 Thread thread2 = new Thread(bye); 14 thread2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY); 15 thread2.setDaemon(true); 16 System.out.println("Starting goodbye thread..."); 17 thread2.start(); 18 19 System.out.println("Starting thread3..."); 20 Thread thread3 = new GuessANumber(27); 21 thread3.start(); 22 try { 23 thread3.join(); 24 }catch(InterruptedException e) { 25 System.out.println("Thread interrupted."); 26 } 27 System.out.println("Starting thread4..."); 28 Thread thread4 = new GuessANumber(75); 29 30 thread4.start(); 31 System.out.println("main() is ending..."); 32 } 33 }
運行結果如下，每一次運行的結果都不一樣。
1 Starting hello thread... 2 Starting goodbye thread... 3 Hello 4 Hello 5 Hello 6 Hello 7 Hello 8 Hello 9 Goodbye 10 Goodbye 11 Goodbye 12 Goodbye 13 Goodbye 14 .......
通過 Callable 和 Future 創建線程
1. 創建 Callable 接口的實現類，並實現 call() 方法，該 call() 方法將作為線程執行體，並且有返回值。
2. 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。
3. 使用 FutureTask 對象作為 Thread 對象的 target 創建並啟動新線程。
4. 調用 FutureTask 對象的 get() 方法來獲得子線程執行結束後的返回值。
實例
1 public class CallableThreadTest implements Callable<Integer> { 2 public static void main(String[] args) 3 { 4 CallableThreadTest ctt = new CallableThreadTest(); 5 FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(ctt); 6 for(int i = 0;i < 100;i++) 7 { 8 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 的循環變量i的值"+i); 9 if(i==20) 10 { 11 new Thread(ft,"有返回值的線程").start(); 12 } 13 } 14 try 15 { 16 System.out.println("子線程的返回值："+ft.get()); 17 } catch (InterruptedException e) 18 { 19 e.printStackTrace(); 20 } catch (ExecutionException e) 21 { 22 e.printStackTrace(); 23 } 24 25 } 26 @Override 27 public Integer call() throws Exception 28 { 29 int i = 0; 30 for(;i<100;i++) 31 { 32 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i); 33 } 34 return i; 35 } 36 }
創建線程的三種方式的對比
1. 采用實現 Runnable、Callable 接口的方式創見多線程時，線程類只是實現了 Runnable 接口或 Callable 接口，還可以繼承其他類。
2. 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。
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
多線程的使用
有效利用多線程的關鍵是理解程序是並發執行而不是串行執行的。例如：程序中有兩個子系統需要並發執行，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。不過請註意，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於執行程序的時間！
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