Java 多线程编程

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

线程经过其生命周期的各个阶段。下图显示了一个线程完整的生命周期。

Java线程的6种状态

  • New(新生)线程被创建但尚未执行,如:Thread thread = new Thread();
  • Runnable(可运行)一旦调用thread.start()方法,线程即进入Runnable状态。

    此时,一个可运行线程可能处理运行状态也可能没有运行(Java规范说明没有将它作为一个单独状态。一个运行中的线程仍然处于可运行状态)。一旦一个线程开始运行,它不必始终保持在运行。事实上,运行中的线程可能会被中断,目的是让其他线程获得运行的机会。现在的桌面及服务器操作系统均使用抢占式调度方法,当给线程分配的时间片用完时运行权即被让度给其他线程(按照优先级选择)但手机等设备使用协作式调度,一个线程只有在调用thread.yield()方法、被阻塞或等待时才失去控制权。

  • Blocked(被阻塞)线程由于某种原因暂停放弃或丢掉了CPU的使用权,它暂时不执行,即进入Blocked状态。被阻塞状态下不执行任何代码且只消耗极少的资源,直到线程调度器重新激活它(即由Blocked状态进入Runnable才有机会被再次执行)。当线程试图获得一个内部的对象锁(synchy),而该锁被其他线程所持有,则该线程进入阻塞状态;当其他线程放弃该锁,并且线程调度器允许该线程持有时,该线程变成非阻塞状态。
  • Waiting(等待执行)当线程等待其他线程向调度器通知一个条件时,该线程进入Waiting状态。在调用Object.wait()或Thread.join(),或是等待java.util.concurrent库中的   Lock或Condition时,就会出现这种情况。实际上,被阻塞与等待状态存在很大的不同。
  • Timed Waiting(计时等待)调用线程的带有超时参数的方法将使线程进入Timed Waiting状态,这一状态将持续到超时或接到适当的通知。相应的带有超时参数的方法有:   Thread.sleep()、Object.wait()、Thread.join()、Lock.tryLock()、Condition.await()(计时版)等。
  • Terminated(被终止)或线程因为run方法执行完而自然死亡,或者因为一个没有捕获的异常终止了run方法而意外死亡,线程即进入Terminated(或Dead)状态。可调用thread.stop()方法抛出ThreadDeath异常来杀死一个线程(该方法已过时)。

相关方法说明

  • yield()方法尝试让出所占用的CPU资源,让其他线程获得运行的机会,对操作系统来说是一个信号,不一定会立即切换线程。在实际开发的测试阶段较多使用yield()方法频繁切换线程以更多地暴露多线程相关的Bug;
  • sleep()方法进入的阻塞状态不会释放对象的锁,即中止执行代码并等待给定的时间,所以不要把sleep()方法放在synchronized代码块中,否则将造成其他需要获取该对象锁的线程长时间处于等待状态;
  • join()方法则是主线程等待子线程执行完成后再往下执行。
  • interrupt()方法向被调用的线程发起中断请求。如线程A通过调用线程B的interrupt()方法来发出中断请求,以获得运行机会,线程B可能响应该请求也可能忽略。

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提供了两种创建线程方法:

  • 通过实现Runable接口;
  • 通过继承Thread类本身。

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();

实例

下面是一个创建线程并开始让它执行的实例:

// 创建一个新的线程
class NewThread implements Runnable {
   Thread t;
   NewThread() {
      // 创建第二个新线程
      t = new Thread(this, "Demo Thread");
      System.out.println("Child thread: " + t);
      t.start(); // 开始线程
   }
  
   // 第二个线程入口
   public void run() {
      try {
         for(int i = 5; i > 0; i--) {
            System.out.println("Child Thread: " + i);
            // 暂停线程
            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(); // 创建一个新线程
      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.");
   }
}
编译以上程序运行结果如下:

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。

实例

// 通过继承 Thread 创建线程
class NewThread extends Thread {
   NewThread() {
      // 创建第二个新线程
      super("Demo Thread");
      System.out.println("Child thread: " + this);
      start(); // 开始线程
   }
 
   // 第二个线程入口
   public void run() {
      try {
         for(int i = 5; i > 0; i--) {
            System.out.println("Child Thread: " + i);
                            // 让线程休眠一会
            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(); // 创建一个新线程
      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.");
   }
}
编译以上程序运行结果如下:

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:

// 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);
      }
   }
}
// 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.**");
   }
}
// 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
Hello
Hello
Hello
Thread-2 guesses 27
Hello
** Correct! Thread-2 in 102 guesses.**
Hello
Starting thread4...
Hello
Hello
..........remaining result produced.

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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