java 基础教程之多线程详解及简单实例

2024-04-05 01:49:18

java 多线程详解

在这篇文章里，我们关注多线程。多线程是一个复杂的话题，包含了很多内容，这篇文章主要关注线程的基本属性、如何创建线程、线程的状态切换以及线程通信。

　　线程是操作系统运行的基本单位，它被封装在进程中，一个进程可以包含多个线程。即使我们不手动创造线程，进程也会有一个默认的线程在运行。

　　对于JVM来说，当我们编写一个单线程的程序去运行时，JVM中也是有至少两个线程在运行，一个是我们创建的程序，一个是垃圾回收。

　　线程基本信息

　　我们可以通过Thread.currentThread()方法获取当前线程的一些信息，并对其进行修改。

　　我们来看以下代码：

查看并修改当前线程的属性
String name = Thread.currentThread().getName();
    int priority = Thread.currentThread().getPriority();
    String groupName = Thread.currentThread().getThreadGroup().getName();
    boolean isDaemon = Thread.currentThread().isDaemon();
    System.out.println("Thread Name:" + name);
    System.out.println("Priority:" + priority);
    System.out.println("Group Name:" + groupName);
    System.out.println("IsDaemon:" + isDaemon);

    Thread.currentThread().setName("Test");
    Thread.currentThread().setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
    name = Thread.currentThread().getName();
    priority = Thread.currentThread().getPriority();
    groupName = Thread.currentThread().getThreadGroup().getName();
    isDaemon = Thread.currentThread().isDaemon();
    System.out.println("Thread Name:" + name);
    System.out.println("Priority:" + priority);

　　其中列出的属性说明如下：

GroupName，每个线程都会默认在一个线程组里，我们也可以显式的创建线程组，一个线程组中也可以包含子线程组，这样线程和线程组，就构成了一个树状结构。
Name，每个线程都会有一个名字，如果不显式指定，那么名字的规则是“Thread-xxx”。
Priority，每个线程都会有自己的优先级，JVM对优先级的处理方式是“抢占式”的。当JVM发现优先级高的线程时，马上运行该线程；对于多个优先级相等的线程，JVM对其进行轮询处理。Java的线程优先级从1到10，默认是5，Thread类定义了2个常量：MIN_PRIORITY和MAX_PRIORITY来表示最高和最低优先级。

我们可以看下面的代码，它定义了两个不同优先级的线程：

线程优先级示例
public static void priorityTest()
{
  Thread thread1 = new Thread("low")
  {
    public void run()
    {
      for (int i = 0; i < 5; i++)
      {
        System.out.println("Thread 1 is running.");
      }
    }
  };

  Thread thread2 = new Thread("high")
  {
    public void run()
    {
      for (int i = 0; i < 5; i++)
      {
        System.out.println("Thread 2 is running.");
      }
    }
  };

  thread1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
  thread2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
  thread1.start();
  thread2.start();
}

从运行结果可以看出，是高优先级线程运行完成后，低优先级线程才运行。

isDaemon，这个属性用来控制父子线程的关系，如果设置为true，当父线程结束后，其下所有子线程也结束，反之，子线程的生命周期不受父线程影响。

我们来看下面的例子：

IsDaemon 示例
public static void daemonTest()
{
  Thread thread1 = new Thread("daemon")
  {
    public void run()
    {
      Thread subThread = new Thread("sub")
      {
        public void run()
        {
          for(int i = 0; i < 100; i++)
          {
            System.out.println("Sub Thread Running " + i);
          }
        }
      };
      subThread.setDaemon(true);
      subThread.start();
      System.out.println("Main Thread end.");
    }
  };

  thread1.start();
}

上面代码的运行结果，在和删除subThread.setDaemon(true);后对比，可以发现后者运行过程中子线程会完成执行后再结束，而前者中，子线程很快就结束了。

　　如何创建线程

　　上面的内容，都是演示默认线程中的一些信息，那么应该如何创建线程呢？在Java中，我们有3种方式可以用来创建线程。

　　Java中的线程要么继承Thread类，要么实现Runnable接口，我们一一道来。

　　使用内部类来创建线程

　　我们可以使用内部类的方式来创建线程，过程是声明一个Thread类型的变量，并重写run方法。示例代码如下：

使用内部类创建线程
public static void createThreadByNestClass()
{
  Thread thread = new Thread()
  {
    public void run()
    {
      for (int i =0; i < 5; i++)
      {
        System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is running.");
      }
      System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is finished.");
    }
  };
  thread.start();
}

　　继承Thread以创建线程

　　我们可以从Thread中派生一个类，重写其run方法，这种方式和上面相似。示例代码如下：

派生Thread类以创建线程
class MyThread extends Thread
{
  public void run()
  {
    for (int i =0; i < 5; i++)
    {
      System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is running.");
    }
    System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is finished.");
  }
}

public static void createThreadBySubClass()
{
  MyThread thread = new MyThread();
  thread.start();
}

　　实现Runnable接口以创建线程

　　我们可以定义一个类，使其实现Runnable接口，然后将该类的实例作为构建Thread变量构造函数的参数。示例代码如下：

实现Runnable接口以创建线程
class MyRunnable implements Runnable
{
  public void run()
  {
    for (int i =0; i < 5; i++)
    {
      System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is running.");
    }
    System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is finished.");
  }
}

public static void createThreadByRunnable()
{
  MyRunnable runnable = new MyRunnable();
  Thread thread = new Thread(runnable);
  thread.start();
}

　　上述3种方式都可以创建线程，而且从示例代码上看，线程执行的功能是一样的，那么这三种创建方式有什么不同呢？

　　这涉及到Java中多线程的运行模式，对于Java来说，多线程在运行时，有“多对象多线程”和“单对象多线程”的区别：

多对象多线程，程序在运行过程中创建多个线程对象，每个对象上运行一个线程。
单对象多线程，程序在运行过程中创建一个线程对象，在其上运行多个线程。

　　显然，从线程同步和调度的角度来看，多对象多线程要简单一些。上述3种线程创建方式，前两种都属于“多对象多线程”，第三种既可以使用“多对象多线程”，也可以使用“单对象单线程”。

　　我们来看下面的示例代码，里面会用到Object.notify方法，这个方法会唤醒对象上的一个线程；而Object.notifyAll方法，则会唤醒对象上的所有线程。

notify示例
public class NotifySample {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException
  {
    notifyTest();
    notifyTest2();
    notifyTest3();
  }

  private static void notifyTest() throws InterruptedException
  {
    MyThread[] arrThreads = new MyThread[3];
    for (int i = 0; i < arrThreads.length; i++)
    {
      arrThreads[i] = new MyThread();
      arrThreads[i].id = i;
      arrThreads[i].setDaemon(true);
      arrThreads[i].start();
    }
    Thread.sleep(500);
    for (int i = 0; i < arrThreads.length; i++)
    {
      synchronized(arrThreads[i])
      {
        arrThreads[i].notify();
      }
    }
  }

  private static void notifyTest2() throws InterruptedException
  {
    MyRunner[] arrMyRunners = new MyRunner[3];
    Thread[] arrThreads = new Thread[3];
    for (int i = 0; i < arrThreads.length; i++)
    {
      arrMyRunners[i] = new MyRunner();
      arrMyRunners[i].id = i;
      arrThreads[i] = new Thread(arrMyRunners[i]);
      arrThreads[i].setDaemon(true);
      arrThreads[i].start();
    }
    Thread.sleep(500);
    for (int i = 0; i < arrMyRunners.length; i++)
    {
      synchronized(arrMyRunners[i])
      {
        arrMyRunners[i].notify();
      }
    }
  }

  private static void notifyTest3() throws InterruptedException
  {
    MyRunner runner = new MyRunner();
    Thread[] arrThreads = new Thread[3];
    for (int i = 0; i < arrThreads.length; i++)
    {
      arrThreads[i] = new Thread(runner);
      arrThreads[i].setDaemon(true);
      arrThreads[i].start();
    }
    Thread.sleep(500);

    synchronized(runner)
    {
      runner.notifyAll();
    }
  }
}

class MyThread extends Thread
{
  public int id = 0;
  public void run()
  {
    System.out.println("第" + id + "个线程准备休眠5分钟。");
    try
    {
      synchronized(this)
      {
        this.wait(5*60*1000);
      }
    }
    catch(InterruptedException ex)
    {
      ex.printStackTrace();
    }
    System.out.println("第" + id + "个线程被唤醒。");
  }
}

class MyRunner implements Runnable
{
  public int id = 0;
  public void run()
  {
    System.out.println("第" + id + "个线程准备休眠5分钟。");
    try
    {
      synchronized(this)
      {
        this.wait(5*60*1000);
      }
    }
    catch(InterruptedException ex)
    {
      ex.printStackTrace();
    }
    System.out.println("第" + id + "个线程被唤醒。");
  }

}

　　示例代码中，notifyTest()和notifyTest2()是“多对象多线程”，尽管notifyTest2()中的线程实现了Runnable接口，但是它里面定义Thread数组时，每个元素都使用了一个新的Runnable实例。notifyTest3()属于“单对象多线程”，因为我们只定义了一个Runnable实例，所有的线程都会使用这个实例。

　　notifyAll方法适用于“单对象多线程”的情景，因为notify方法只会随机唤醒对象上的一个线程。

　　线程的状态切换

　　对于线程来讲，从我们创建它一直到线程运行结束，在这个过程中，线程的状态可能是这样的：

创建：已经有Thread实例了，但是CPU还有为其分配资源和时间片。
就绪：线程已经获得了运行所需的所有资源，只等CPU进行时间调度。
运行：线程位于当前CPU时间片中，正在执行相关逻辑。
休眠：一般是调用Thread.sleep后的状态，这时线程依然持有运行所需的各种资源，但是不会被CPU调度。
挂起：一般是调用Thread.suspend后的状态，和休眠类似，CPU不会调度该线程，不同的是，这种状态下，线程会释放所有资源。
死亡：线程运行结束或者调用了Thread.stop方法。

　　下面我们来演示如何进行线程状态切换，首先我们会用到下面方法：

Thread()或者Thread(Runnable)：构造线程。
Thread.start：启动线程。
Thread.sleep：将线程切换至休眠状态。
Thread.interrupt：中断线程的执行。
Thread.join：等待某线程结束。
Thread.yield：剥夺线程在CPU上的执行时间片，等待下一次调度。
Object.wait：将Object上所有线程锁定，直到notify方法才继续运行。
Object.notify：随机唤醒Object上的1个线程。
Object.notifyAll：唤醒Object上的所有线程。

　　下面，就是演示时间啦！！！

　　线程等待与唤醒

　　这里主要使用Object.wait和Object.notify方法，请参见上面的notify实例。需要注意的是，wait和notify都必须针对同一个对象，当我们使用实现Runnable接口的方式来创建线程时，应该是在Runnable对象而非Thread对象上使用这两个方法。

　　线程的休眠与唤醒

Thread.sleep实例
public class SleepSample {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException
  {
    sleepTest();
  }

  private static void sleepTest() throws InterruptedException
  {
    Thread thread = new Thread()
    {
      public void run()
      {
        System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + "将要休眠5分钟。");
        try
        {
          Thread.sleep(5*60*1000);
        }
        catch(InterruptedException ex)
        {
          System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + "休眠被中断。");
        }
        System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + "休眠结束。");
      }
    };
    thread.setDaemon(true);
    thread.start();
    Thread.sleep(500);
    thread.interrupt();
  }

}

　　线程在休眠过程中，我们可以使用Thread.interrupt将其唤醒，这时线程会抛出InterruptedException。

　　线程的终止

　　虽然有Thread.stop方法，但该方法是不被推荐使用的，我们可以利用上面休眠与唤醒的机制，让线程在处理IterruptedException时，结束线程。

Thread.interrupt示例
public class StopThreadSample {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException
  {
    stopTest();
  }

  private static void stopTest() throws InterruptedException
  {
    Thread thread = new Thread()
    {
      public void run()
      {
        System.out.println("线程运行中。");
        try
        {
          Thread.sleep(1*60*1000);
        }
        catch(InterruptedException ex)
        {
          System.out.println("线程中断，结束线程");
          return;
        }
        System.out.println("线程正常结束。");
      }
    };
    thread.start();
    Thread.sleep(500);
    thread.interrupt();
  }
}

　　线程的同步等待

　　当我们在主线程中创建了10个子线程，然后我们期望10个子线程全部结束后，主线程在执行接下来的逻辑，这时，就该Thread.join登场了。

Thread.join示例
public class JoinSample {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException
  {
    joinTest();
  }

  private static void joinTest() throws InterruptedException
  {
    Thread thread = new Thread()
    {
      public void run()
      {
        try
        {
          for(int i = 0; i < 5; i++)
          {
            System.out.println("线程在运行。");
            Thread.sleep(1000);
          }
        }
        catch(InterruptedException ex)
        {
          ex.printStackTrace();
        }
      }
    };
    thread.setDaemon(true);
    thread.start();
    Thread.sleep(1000);
    thread.join();
    System.out.println("主线程正常结束。");
  }
}

　　我们可以试着将thread.join();注释或者删除，再次运行程序，就可以发现不同了。

　　线程间通信

　　我们知道，一个进程下面的所有线程是共享内存空间的，那么我们如何在不同的线程之间传递消息呢？在回顾 Java I/O时，我们谈到了PipedStream和PipedReader，这里，就是它们发挥作用的地方了。

　　下面的两个示例，功能完全一样，不同的是一个使用Stream，一个使用Reader/Writer。

PipeInputStream/PipedOutpueStream 示例
public static void communicationTest() throws IOException, InterruptedException
{
  final PipedOutputStream pos = new PipedOutputStream();
  final PipedInputStream pis = new PipedInputStream(pos);

  Thread thread1 = new Thread()
  {
    public void run()
    {
      BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
      try
      {
        while(true)
        {
          String message = br.readLine();
          pos.write(message.getBytes());
          if (message.equals("end")) break;
        }
        br.close();
        pos.close();
      }
      catch(Exception ex)
      {
        ex.printStackTrace();
      }
    }
  };

  Thread thread2 = new Thread()
  {
    public void run()
    {
      byte[] buffer = new byte[1024];
      int bytesRead = 0;
      try
      {
        while((bytesRead = pis.read(buffer, 0, buffer.length)) != -1)
        {
          System.out.println(new String(buffer));
          if (new String(buffer).equals("end")) break;
          buffer = null;
          buffer = new byte[1024];
        }
        pis.close();
        buffer = null;
      }
      catch(Exception ex)
      {
        ex.printStackTrace();
      }
    }
  };

  thread1.setDaemon(true);
  thread2.setDaemon(true);
  thread1.start();
  thread2.start();
  thread1.join();
  thread2.join();
}

PipedReader/PipedWriter 示例
private static void communicationTest2() throws InterruptedException, IOException
{
  final PipedWriter pw = new PipedWriter();
  final PipedReader pr = new PipedReader(pw);
  final BufferedWriter bw = new BufferedWriter(pw);
  final BufferedReader br = new BufferedReader(pr);

  Thread thread1 = new Thread()
  {
    public void run()
    {

      BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
      try
      {
        while(true)
        {
          String message = br.readLine();
          bw.write(message);
          bw.newLine();
          bw.flush();
          if (message.equals("end")) break;
        }
        br.close();
        pw.close();
        bw.close();
      }
      catch(Exception ex)
      {
        ex.printStackTrace();
      }
    }
  };

  Thread thread2 = new Thread()
  {
    public void run()
    {

      String line = null;
      try
      {
        while((line = br.readLine()) != null)
        {
          System.out.println(line);
          if (line.equals("end")) break;
        }
        br.close();
        pr.close();
      }
      catch(Exception ex)
      {
        ex.printStackTrace();
      }
    }
  };

  thread1.setDaemon(true);
  thread2.setDaemon(true);
  thread1.start();
  thread2.start();
  thread1.join();
  thread2.join();
}

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