Java 多線程編程

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Java給多線程編程提供了內置的支持。一個多線程程序包含兩個或多個能並發運行的部分。程序的每一部分都稱作一個線程，並且每個線程定義了一個獨立的執行路徑。

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。

這裡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，直到所有的非守候線程都結束運行後才能結束。

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。

一個線程的生命週

線程經過其生命週期的各個階段。下圖顯示了一個線程完整的生命週期。

java_thread

新建狀態:
使用new關鍵字和Thread類或其子類建立一個線程對像後，該線程對象就處於新建狀態。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()方法之後，該線程就進入就緒狀態。就緒狀態的線程處於就緒隊列中，要等待JVM裡線程調度器的調度。
運行狀態:
如果就緒狀態的線程獲取CPU資源，就可以執行run() ，此時線程便處於運行狀態。處於運行狀態的線程最為複雜，它可以變為阻塞狀態、就緒狀態和死亡狀態。
阻塞狀態:
如果一個線程執行了sleep（睡眠）、suspend（掛起）等方法，失去所佔用資源之後，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後可以重新進入就緒狀態。
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。

線程的優先級

每一個Java線程都有一個優先級，這樣有助於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，其取值範圍是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，並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，而且非常依賴於平台。

創建一個線程

Java提供了兩種創建線程方法：

通過實現Runable接口；
通過繼承Thread類本身。

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，並聲明變量，就像主線程一樣。

在創建一個實現Runnable接口的類之後，你可以在類中實例化一個線程對象。

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);

這裡，threadOb 是一個實現Runnable 接口的類的實例，並且threadName指定新線程的名字。

新線程創建之後，你調用它的start()方法它才會運行。

void start();

實例

下面是一個創建線程並開始讓它執行的實例：

// 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.");
   }
}

編譯以上程序運行結果如下：

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，然後創建一個該類的實例。

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。

實例

// 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.");
   }
}

編譯以上程序運行結果如下：

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類的一些重要方法：

序號	方法描述
1	public void start() 使該線程開始執行； Java虛擬機調用該線程的run方法。
2	public void run() 如果該線程是使用獨立的 Runnable 運行對象構造的，則調用該 Runnable 對象的 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) 改變線程名稱，使之與參數 name 相同。
4	public final void setPriority(int priority) 更改線程的優先級。
5	public final void setDaemon(boolean on) 將該線程標記為守護線程或用戶線程。
6	public final void join(long millisec) 等待該線程終止的時間最長為 millis 毫秒。
7	public void interrupt() 中斷線程。
8	public final boolean isAlive() 測試線程是否處於活動狀態。

測試線程是否處於活動狀態。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。

序號	方法描述
1	public static void yield() 暫停當前正在執行的線程對象，並執行其他線程。
2	public static void sleep(long millisec) 在指定的毫秒數內讓當前正在執行的線程休眠（暫停執行），此操作受到系統計時器和調度程序精度和準確性的影響。
3	public static boolean holdsLock(Object x) 當且僅噹噹前線程在指定的對像上保持監視器鎖時，才返回 true。
4	public static Thread currentThread() 返回對當前正在執行的線程對象的引用。
5	public static void dumpStack() 將當前線程的堆棧跟踪打印至標準錯誤流。

實例

如下的ThreadClassDemo 程序演示了Thread類的一些方法：

// 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...");
   }
}

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
Hello
Hello
Hello
Thread-2 guesses 27
Hello
** Correct! Thread-2 in 102 guesses.**
Hello
Starting thread4...
Hello
Hello
..........remaining result produced.

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

多線程的使用

有效利用多線程的關鍵是理解程序是並發執行而不是串行執行的。例如：程序中有兩個子系統需要並發執行，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於執行程序的時間！