java 多線程編程

java 給多線程編程提供了內置的支持。 一條線程指的是進程中一個單一順序的控制流，一個進程中可以并發多個線程，每條線程并行執行不同的任務。

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。

這里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，直到所有的非守護線程都結束運行后才能結束。

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。

1. 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后，該線程對象就處于新建狀態。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()方法之后，該線程就進入就緒狀態。就緒狀態的線程處于就緒隊列中，要等待jvm里線程調度器的調度。
• 運行狀態：如果就緒狀態的線程獲取 cpu 資源，就可以執行 run()，此時線程便處于運行狀態。處于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，失去所占用資源之后，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后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。

2. 線程的優先級

每一個 java 線程都有一個優先級，這樣有助于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，其取值范圍是 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，并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，而且非常依賴于平臺。

3. 創建線程

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。

4. 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：

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，并聲明變量，就像主線程一樣。

在創建一個實現 runnable 接口的類之后，你可以在類中范例化一個線程對象。

thread 定義了幾個構造方法，下面的這個是我們經常使用的：

thread(runnable threadob,string threadname);

這里，threadob 是一個實現 runnable 接口的類的范例，并且 threadname 指定新線程的名字。

新線程創建之后，你調用它的 start() 方法它才會運行。

void start();

下面是一個創建線程并開始讓它執行的范例：

class runnabledemo implements runnable {
    private thread t;
    private string threadname;
    
    runnabledemo( string name) {
        threadname = name;
        system.out.println("creating " +  threadname );
    }
    
    public void run() {
        system.out.println("running " +  threadname );
        try {
            for(int i = 4; i > 0; i--) {
                system.out.println("thread: " + threadname + ", " + i);
                // 讓線程睡眠一會
                thread.sleep(50);
            }
        }catch (interruptedexception e) {
            system.out.println("thread " +  threadname + " interrupted.");
        }
        system.out.println("thread " +  threadname + " exiting.");
    }
    
    public void start () {
        system.out.println("starting " +  threadname );
        if (t == null) {
            t = new thread (this, threadname);
            t.start ();
        }
    }
    }
    
    public class testthread {
    
    public static void main(string args[]) {
        runnabledemo r1 = new runnabledemo( "thread-1");
        r1.start();
        
        runnabledemo r2 = new runnabledemo( "thread-2");
        r2.start();
    }   
    }

編譯以上程序運行結果如下：

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.

5. 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，然后創建一個該類的范例。

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 接口的一個范例。

class threaddemo extends thread {
    private thread t;
    private string threadname;
    
    threaddemo( string name) {
        threadname = name;
        system.out.println("creating " +  threadname );
    }
    
    public void run() {
        system.out.println("running " +  threadname );
        try {
            for(int i = 4; i > 0; i--) {
                system.out.println("thread: " + threadname + ", " + i);
                // 讓線程睡眠一會
                thread.sleep(50);
            }
        }catch (interruptedexception e) {
            system.out.println("thread " +  threadname + " interrupted.");
        }
        system.out.println("thread " +  threadname + " exiting.");
    }
    
    public void start () {
        system.out.println("starting " +  threadname );
        if (t == null) {
            t = new thread (this, threadname);
            t.start ();
        }
    }
    }
    
    public class testthread {
    
    public static void main(string args[]) {
        threaddemo t1 = new threaddemo( "thread-1");
        t1.start();
        
        threaddemo t2 = new threaddemo( "thread-2");
        t2.start();
    }   
    }

編譯以上程序運行結果如下：

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.

6. thread 方法

下表列出了thread類的一些重要方法：

測試線程是否處于活動狀態。 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。

范例

如下的 threadclassdemo 程序演示了 thread 類的一些方法：

// 文件名 : displaymessage.java
// 通過實現 runnable 接口創建線程
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
// 通過繼承 thread 類創建線程
    
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...");
    }
}

運行結果如下，每一次運行的結果都不一樣。

starting hello thread...
starting goodbye thread...
hello
hello
hello
hello
hello
hello
goodbye
goodbye
goodbye
goodbye
goodbye
.......

7. 通過 callable 和 future 創建線程

• 1. 創建 callable 接口的實現類，并實現 call() 方法，該 call() 方法將作為線程執行體，并且有返回值。
• 2. 創建 callable 實現類的范例，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 創建并啟動新線程。
• 4. 調用 futuretask 對象的 get() 方法來獲得子線程執行結束后的返回值。

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()+" 的循環變量i的值"+i);  
            if(i==20)  
            {  
                new thread(ft,"有返回值的線程").start();  
            }  
        }  
        try  
        {  
            system.out.println("子線程的返回值："+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;  
    }  
}

8. 創建線程的三種方式的對比

• 1. 采用實現 runnable、callable 接口的方式創建多線程時，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。

9. 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

10. 多線程的使用

有效利用多線程的關鍵是理解程序是并發執行而不是串行執行的。例如：程序中有兩個子系統需要并發執行，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。不過請注意，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于執行程序的時間！