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。 一條執行緒指的是程序中一個單一順序的控制流,一個程序中可以併發多個執行緒,每條執行緒並行執行不同的任務。
多執行緒是多工的一種特別的形式,但多執行緒使用了更小的資源開銷。
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,直到所有的非守護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高效率的程式來達到充分利用 CPU 的目的。
一個執行緒的生命週期
執行緒是一個動態執行的過程,它也有一個從產生到死亡的過程。
下圖顯示了一個執行緒完整的生命週期。
- 新建狀態:
使用 new 關鍵字和 Thread 類或其子類建立一個執行緒物件後,該執行緒物件就處於新建狀態。它保持這個狀態直到程式 start() 這個執行緒。
- 就緒狀態:
當執行緒物件呼叫了start()方法之後,該執行緒就進入就緒狀態。就緒狀態的執行緒處於就緒佇列中,要等待JVM裡執行緒排程器的排程。
- 執行狀態:
如果就緒狀態的執行緒獲取 CPU 資源,就可以執行 run(),此時執行緒便處於執行狀態。處於執行狀態的執行緒最為複雜,它可以變為阻塞狀態、就緒狀態和死亡狀態。
- 阻塞狀態:
如果一個執行緒執行了sleep(睡眠)、suspend(掛起)等方法,失去所佔用資源之後,該執行緒就從執行狀態進入阻塞狀態。在睡眠時間已到或獲得裝置資源後可以重新進入就緒狀態。可以分為三種:
等待阻塞:執行狀態中的執行緒執行 wait() 方法,使執行緒進入到等待阻塞狀態。
同步阻塞:執行緒在獲取 synchronized 同步鎖失敗(因為同步鎖被其他執行緒佔用)。
其他阻塞:通過呼叫執行緒的 sleep() 或 join() 發出了 I/O 請求時,執行緒就會進入到阻塞狀態。當sleep() 狀態超時,join() 等待執行緒終止或超時,或者 I/O 處理完畢,執行緒重新轉入就緒狀態。
- 死亡狀態:
一個執行狀態的執行緒完成任務或者其他終止條件發生時,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 執行緒的優先順序是一個整數,其取值範圍是 1 (Thread.MIN_PRIORITY ) - 10 (Thread.MAX_PRIORITY )。
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資源。但是,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的方法:
- 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:
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:
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。
下面是一個建立執行緒並開始讓它執行的例項:
例項
編譯以上程式執行結果如下:
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
編譯以上程式執行結果如下:
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:
DisplayMessage.java 檔案程式碼:
GuessANumber.java 檔案程式碼:
ThreadClassDemo.java 檔案程式碼:
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 Goodbye Goodbye Goodbye Goodbye Goodbye .......
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
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:
- 執行緒同步
- 執行緒間通訊
- 執行緒死鎖
- 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!