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Java 多线程编程


Java 给多线程编程提供了内置的支持。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。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,直到所有的非守护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。

线程的状态

Java 的线程状态总共有6种。

  • NEW(新建尚未启动/运行),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。还没调用 start,或者调用了 start() 方法,不一定立即改变线程状态,中间可能需要一些步骤才完成一个线程的启动。

  • RUNNABLE(处于可运行状态:正在运行或准备运行),就绪状态:

    start 调用结束,线程由 NEW 变成 RUNNABLE,存活着,并尝试占用 CPU 资源,yield 操作时,线程还是 Runnable 状态,只是它有一个细节的内部变化,做一个简单的让步。在 Java 层面是 Runnable 的状态,并不代表一定处于运行中的状态,比如 BIO 中,线程正阻塞在网络等待的时候,看到的状态依然是 Runnable 状态,而底层线程已经被阻塞住了。

  • BLOCKED(等待获取锁时进入的状态),被阻塞状态:

    线程被挂起了,原因通常是因为它在等待一个锁,当某个 synchronized 正好有线程在使用时,一个线程尝试进入这个临界区,就会被阻塞,直到另一个线程走完临界区或发生了相应锁对象的 wait 操作后,它才有机会去争夺进入临界区的权利。当抢到锁之后,才会从 blocked 状态恢复到 runnable 状态。这个状态它好像什么也不做一样。

  • WAITING(通过 wait 方法进入的等待),等待状态:

    当 wait,join,park 等方法调用时,进入 waiting 状态。前提是这个线程已经拥有锁了。

    在 waiting 状态下,如果发生了 interrupt 操作,则处于该状态的线程在内部会抛出一个 InterruptedException,这个异常应当在 run 方法内捕获,使得 run 方法正常地执行完成,当然捕获异常后,是决定让线程继续运行,还是结束等要根据业务场景才处理。

    如果发生了 notify 动作,则会从等待池当中唤醒一个线程重新恢复到 Runnable 状态,如果是 notifyall 操作,则唤醒所有等待线程。

    blocked 和 waiting 状态的区别是:

    A、blocked 是虚拟机认为程序还不能进入某个区域,因为同时进去就会有问题,这是一块临界区。

    B、发生 wait 等操作的先决条件是要进入临界区,也就是线程已经拿到锁了,自己可能进去做了一些事情,但此时通过判定业务上的参数,发现还有一些其他配合的资源没有准备充分,那么自己就等等再做其他事情。

  • TIMED_WAITING(通过 sleep 或 wait timeout 方法进入的限期等待的状态),限期等待状态:

    通过 wait(t),sleep(t),join(t),parkNanos,parkUntil 等方法进入此状态。当时间达到时触发线程回到工作状态 Runnable。sleep 和 wait 的具体区别请看这里

  • TERMINATED(线程终止),被终止状态:

    线程结束了,就处于这种状态,也就是 run 方法运行完了。这只是 Java 语言级别的一种状态,在操作系统内部可能已经注销了相应的线程,或者将它复用给其他需要使用线程的请求。

线程状态切换

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。

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 5(Thread.NORM_PRIORITY)。

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。

线程的创建

Java 提供了三种创建线程的方法:

  • 通过实现 Runnable 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 target, String name);

这里,target 是一个实现 Runnable 接口的类的实例,并且 name 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:

public class RunnableDemo implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("run start");
        System.out.println("thread name:" + Thread.currentThread().getName());
        try {
            // 让线程睡眠一会儿
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("run end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new RunnableDemo(), "test-thread").start();
    }
}

编译以上程序运行结果如下:

run start
thread name:test-thread
run end

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。

public class ThreadDemo extends Thread {

    public ThreadDemo(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("run start");
        System.out.println("thread name:" + Thread.currentThread().getName());
        try {
            // 让线程睡眠一会儿
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("run end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new ThreadDemo("test-thread-1").start();
    }
}

编译以上程序运行结果如下:

run start
thread name:test-thread-1
run end

Thread 的方法

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。

通过Callable和Future创建线程

  • 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。

  • 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。

  • 使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程。

  • 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。

public class CallableThreadDemo implements Callable<Integer> {

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int time = (int) (new Random().nextFloat() * 1000);
        System.out.println("子线程的睡眠时间:" + time);
        Thread.sleep(time);
        return time;
    }

    public static void main(String[] args) {

        CallableThreadDemo ctd = new CallableThreadDemo();
        // FutureTask也是实现Runnable接口
        FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(ctd);
        new Thread(ft).start();
        try {
            System.out.println("子线程的返回值:" + ft.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

创建线程的三种方式的对比

  • 采用实现 Runnable、Callable 接口的方式创建多线程时,线程类只是实现了 Runnable 接口或 Callable 接口,还可以继承其他类。

  • 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!