Java - 32 Java 多執行緒程式設計
Java 多執行緒程式設計
Java給多執行緒程式設計提供了內建的支援。一個多執行緒程式包含兩個或多個能併發執行的部分。程式的每一部分都稱作一個執行緒，並且每個執行緒定義了一個獨立的執行路徑。
多執行緒是多工的一種特別的形式。多執行緒比多工需要更小的開銷。
這裡定義和執行緒相關的另一個術語：程序：一個程序包括由作業系統分配的記憶體空間，包含一個或多個執行緒。一個執行緒不能獨立的存在，它必須是程序的一部分。一個程序一直執行，直到所有的非守候執行緒都結束執行後才能結束。
多執行緒能滿足程式設計師編寫非常有效率的程式來達到充分利用CPU的目的，因為CPU的空閒時間能夠保持在最低限度。
一個執行緒的生命週期
執行緒經過其生命週期的各個階段。下圖顯示了一個執行緒完整的生命週期。
-
新建狀態: 一個新產生的執行緒從新狀態開始了它的生命週期。它保持這個狀態直到程式start這個執行緒。
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執行狀態:當一個新狀態的執行緒被start以後，執行緒就變成可執行狀態，一個執行緒在此狀態下被認為是開始執行其任務
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就緒狀態:當一個執行緒等待另外一個執行緒執行一個任務的時候，該執行緒就進入就緒狀態。當另一個執行緒給就緒狀態的執行緒傳送訊號時，該執行緒才重新切換到執行狀態。
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休眠狀態: 由於一個執行緒的時間片用完了，該執行緒從執行狀態進入休眠狀態。當時間間隔到期或者等待的事件發生了，該狀態的執行緒切換到執行狀態。
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終止狀態: 一個執行狀態的執行緒完成任務或者其他終止條件發生，該執行緒就切換到終止狀態。
執行緒的優先順序
每一個Java執行緒都有一個優先順序，這樣有助於作業系統確定執行緒的排程順序。Java優先順序在MIN_PRIORITY（1）和MAX_PRIORITY（10）之間的範圍內。預設情況下，每一個執行緒都會分配一個優先順序NORM_PRIORITY（5）。
具有較高優先順序的執行緒對程式更重要，並且應該在低優先順序的執行緒之前分配處理器時間。然而，執行緒優先順序不能保證執行緒執行的順序，而且非常依賴於平臺。
建立一個執行緒
Java提供了三種建立執行緒方法：
-
通過實現Runnable介面；
-
通過繼承Thread類本身；
-
通過 Callable 和 Future 建立執行緒。
通過實現Runnable介面來建立執行緒
建立一個執行緒，最簡單的方法是建立一個實現Runnable介面的類。
為了實現Runnable，一個類只需要執行一個方法呼叫run()，宣告如下：
public void run()
你可以重寫該方法，重要的是理解的run()可以呼叫其他方法，使用其他類，並宣告變數，就像主執行緒一樣。
在建立一個實現Runnable介面的類之後，你可以在類中例項化一個執行緒物件。
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);
這裡，threadOb 是一個實現Runnable 介面的類的例項，並且 threadName指定新執行緒的名字。
新執行緒建立之後，你呼叫它的start()方法它才會執行。
void start();
例項
下面是一個建立執行緒並開始讓它執行的例項：
// 建立一個新的執行緒
class NewThread implements Runnable {
Thread t;
NewThread() {
// 建立第二個新執行緒
t = new Thread(this, "Demo Thread");
System.out.println("Child thread: " + t);
t.start(); // 開始執行緒
}
// 第二個執行緒入口
public void run() {
try {
for(int i = 5; i > 0; i--) {
System.out.println("Child Thread: " + i);
// 暫停執行緒
Thread.sleep(50);
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Child interrupted.");
}
System.out.println("Exiting child thread.");
}
}
public class ThreadDemo {
public static void main(String args[]) {
new NewThread(); // 建立一個新執行緒
try {
for(int i = 5; i > 0; i--) {
System.out.println("Main Thread: " + i);
Thread.sleep(100);
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Main thread interrupted.");
}
System.out.println("Main thread exiting.");
}
}
編譯以上程式執行結果如下：
Child thread: Thread[Demo Thread,5,main] Main Thread: 5 Child Thread: 5 Child Thread: 4 Main Thread: 4 Child Thread: 3 Child Thread: 2 Main Thread: 3 Child Thread: 1 Exiting child thread. Main Thread: 2 Main Thread: 1 Main thread exiting.
通過繼承Thread來建立執行緒
建立一個執行緒的第二種方法是建立一個新的類，該類繼承Thread類，然後建立一個該類的例項。
繼承類必須重寫run()方法，該方法是新執行緒的入口點。它也必須呼叫start()方法才能執行。該方法儘管被列為一種多執行緒實現方式，但是本質上也是實現了 Runnable 介面的一個例項。
例項
// 通過繼承 Thread 建立執行緒
class NewThread extends Thread {
NewThread() {
// 建立第二個新執行緒
super("Demo Thread");
System.out.println("Child thread: " + this);
start(); // 開始執行緒
}
// 第二個執行緒入口
public void run() {
try {
for(int i = 5; i > 0; i--) {
System.out.println("Child Thread: " + i);
// 讓執行緒休眠一會
Thread.sleep(50);
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Child interrupted.");
}
System.out.println("Exiting child thread.");
}
}
public class ExtendThread {
public static void main(String args[]) {
new NewThread(); // 建立一個新執行緒
try {
for(int i = 5; i > 0; i--) {
System.out.println("Main Thread: " + i);
Thread.sleep(100);
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Main thread interrupted.");
}
System.out.println("Main thread exiting.");
}
}
編譯以上程式執行結果如下：
Child thread: Thread[Demo Thread,5,main] Main Thread: 5 Child Thread: 5 Child Thread: 4 Main Thread: 4 Child Thread: 3 Child Thread: 2 Main Thread: 3 Child Thread: 1 Exiting child thread. Main Thread: 2 Main Thread: 1 Main thread 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() 使該執行緒開始執行；Java 虛擬機器呼叫該執行緒的 run 方法。 |
| 2 | public void run() 如果該執行緒是使用獨立的 Runnable 執行物件構造的，則呼叫該 Runnable 物件的 run 方法；否則，該方法不執行任何操作並返回。 |
| 3 | public final void setName(String name) 改變執行緒名稱，使之與引數 name 相同。 |
| 4 | public final void setPriority(int priority) 更改執行緒的優先順序。 |
| 5 | public final void setDaemon(boolean on) 將該執行緒標記為守護執行緒或使用者執行緒。 |
| 6 | public final void join(long millisec) 等待該執行緒終止的時間最長為 millis 毫秒。 |
| 7 | public void interrupt() 中斷執行緒。 |
| 8 | public final boolean isAlive() 測試執行緒是否處於活動狀態。 |
測試執行緒是否處於活動狀態。 上述方法是被Thread物件呼叫的。下面的方法是Thread類的靜態方法。
| 序號 | 方法描述 |
|---|---|
| 1 | public static void yield() 暫停當前正在執行的執行緒物件，並執行其他執行緒。 |
| 2 | public static void sleep(long millisec) 在指定的毫秒數內讓當前正在執行的執行緒休眠（暫停執行），此操作受到系統計時器和排程程式精度和準確性的影響。 |
| 3 | public static boolean holdsLock(Object x) 當且僅當當前執行緒在指定的物件上保持監視器鎖時，才返回 true。 |
| 4 | public static Thread currentThread() 返回對當前正在執行的執行緒物件的引用。 |
| 5 | public static void dumpStack() 將當前執行緒的堆疊跟蹤列印至標準錯誤流。 |
例項
如下的ThreadClassDemo 程式演示了Thread類的一些方法：
// 檔名 : DisplayMessage.java
// 通過實現 Runnable 介面建立執行緒
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 檔案程式碼：
// 檔名 : GuessANumber.java
// 通過繼承 Thread 類建立執行緒
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 檔案程式碼：
// 檔名 : 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...");
}
}
執行結果如下，每一次執行的結果都不一樣。
Starting hello thread... Starting goodbye thread... Hello Hello Hello Hello Hello Hello Hello Hello Hello Starting thread3... Hello Hello Starting thread4... Hello Hello main() is ending...
通過 Callable 和 Future 建立執行緒
- 1. 建立 Callable 介面的實現類，並實現 call() 方法，該 call() 方法將作為執行緒執行體，並且有返回值。
- 2. 建立 Callable 實現類的例項，使用 FutureTask 類來包裝 Callable 物件，該 FutureTask 物件封裝了該 Callable 物件的 call() 方法的返回值。
- 3. 使用 FutureTask 物件作為 Thread 物件的 target 建立並啟動新執行緒。
- 4. 呼叫 FutureTask 物件的 get() 方法來獲得子執行緒執行結束後的返回值。
例項
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()+" 的迴圈變數i的值"+i); if(i==20) { new Thread(ft,"有返回值的執行緒").start(); } } try { System.out.println("子執行緒的返回值："+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; } }建立執行緒的三種方式的對比
- 1. 採用實現 Runnable、Callable 介面的方式建立多執行緒時，執行緒類只是實現了 Runnable 介面或 Callable 介面，還可以繼承其他類。
- 2. 使用繼承 Thread 類的方式建立多執行緒時，編寫簡單，如果需要訪問當前執行緒，則無需使用 Thread.currentThread() 方法，直接使用 this 即可獲得當前執行緒。
執行緒的幾個主要概念
在多執行緒程式設計時，你需要了解以下幾個概念：
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執行緒同步
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執行緒間通訊
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執行緒死鎖
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執行緒控制：掛起、停止和恢復
多執行緒的使用
有效利用多執行緒的關鍵是理解程式是併發執行而不是序列執行的。例如：程式中有兩個子系統需要併發執行，這時候就需要利用多執行緒程式設計。
通過對多執行緒的使用，可以編寫出非常高效的程式。不過請注意，如果你建立太多的執行緒，程式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，如果你建立了太多的執行緒，CPU花費在上下文的切換的時間將多於執行程式的時間！