Java回顧之多線程

　　第一篇：Java回顧之I/O

　　第二篇：Java回顧之網絡通信

 

　　在這篇文章里，我們關注多線程。多線程是一個復雜的話題，包含了很多內容，這篇文章主要關注線程的基本屬性、如何創建線程、線程的狀態切換以及線程通信，我們把線程同步的話題留到下一篇文章中。

　　線程是操作系統運行的基本單位，它被封裝在進程中，一個進程可以包含多個線程。即使我們不手動創造線程，進程也會有一個默認的線程在運行。

　　對於JVM來說，當我們編寫一個單線程的程序去運行時，JVM中也是有至少兩個線程在運行，一個是我們創建的程序，一個是垃圾回收。

　　線程基本信息

　　我們可以通過Thread.currentThread()方法獲取當前線程的一些信息，並對其進行修改。

　　我們來看以下代碼：

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);    

　　其中列出的屬性說明如下：

• GroupName，每個線程都會默認在一個線程組里，我們也可以顯式的創建線程組，一個線程組中也可以包含子線程組，這樣線程和線程組，就構成了一個樹狀結構。
• Name，每個線程都會有一個名字，如果不顯式指定，那么名字的規則是“Thread-xxx”。
• Priority，每個線程都會有自己的優先級，JVM對優先級的處理方式是“搶占式”的。當JVM發現優先級高的線程時，馬上運行該線程；對於多個優先級相等的線程，JVM對其進行輪詢處理。Java的線程優先級從1到10，默認是5，Thread類定義了2個常量：MIN_PRIORITY和MAX_PRIORITY來表示最高和最低優先級。
  我們可以看下面的代碼，它定義了兩個不同優先級的線程：
  

  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();
  }

  從運行結果可以看出，是高優先級線程運行完成后，低優先級線程才運行。
• isDaemon，這個屬性用來控制父子線程的關系，如果設置為true，當父線程結束后，其下所有子線程也結束，反之，子線程的生命周期不受父線程影響。
  我們來看下面的例子：
  

  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();
  }

  上面代碼的運行結果，在和刪除subThread.setDaemon(true);后對比，可以發現后者運行過程中子線程會完成執行后再結束，而前者中，子線程很快就結束了。

　　如何創建線程

　　上面的內容，都是演示默認線程中的一些信息，那么應該如何創建線程呢？在Java中，我們有3種方式可以用來創建線程。

　　Java中的線程要么繼承Thread類，要么實現Runnable接口，我們一一道來。

　　使用內部類來創建線程

　　我們可以使用內部類的方式來創建線程，過程是聲明一個Thread類型的變量，並重寫run方法。示例代碼如下：

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();
}

　　繼承Thread以創建線程

　　我們可以從Thread中派生一個類，重寫其run方法，這種方式和上面相似。示例代碼如下：

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();
}

　　實現Runnable接口以創建線程

　　我們可以定義一個類，使其實現Runnable接口，然后將該類的實例作為構建Thread變量構造函數的參數。示例代碼如下：

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種方式都可以創建線程，而且從示例代碼上看，線程執行的功能是一樣的，那么這三種創建方式有什么不同呢？

　　這涉及到Java中多線程的運行模式，對於Java來說，多線程在運行時，有“多對象多線程”和“單對象多線程”的區別：

• 多對象多線程，程序在運行過程中創建多個線程對象，每個對象上運行一個線程。
• 單對象多線程，程序在運行過程中創建一個線程對象，在其上運行多個線程。

　　顯然，從線程同步和調度的角度來看，多對象多線程要簡單一些。上述3種線程創建方式，前兩種都屬於“多對象多線程”，第三種既可以使用“多對象多線程”，也可以使用“單對象單線程”。

　　我們來看下面的示例代碼，里面會用到Object.notify方法，這個方法會喚醒對象上的一個線程；而Object.notifyAll方法，則會喚醒對象上的所有線程。

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 + "個線程准備休眠5分鍾。");
        try
        {
            synchronized(this)
            {
                this.wait(5*60*1000);
            }
        }
        catch(InterruptedException ex)
        {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("第" + id + "個線程被喚醒。");
    }
}

class MyRunner implements Runnable
{
    public int id = 0;
    public void run() 
    {
        System.out.println("第" + id + "個線程准備休眠5分鍾。");
        try
        {
            synchronized(this)
            {
                this.wait(5*60*1000);
            }
        }
        catch(InterruptedException ex)
        {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("第" + id + "個線程被喚醒。");
    }
    
}

　　示例代碼中，notifyTest()和notifyTest2()是“多對象多線程”，盡管notifyTest2()中的線程實現了Runnable接口，但是它里面定義Thread數組時，每個元素都使用了一個新的Runnable實例。notifyTest3()屬於“單對象多線程”，因為我們只定義了一個Runnable實例，所有的線程都會使用這個實例。

　　notifyAll方法適用於“單對象多線程”的情景，因為notify方法只會隨機喚醒對象上的一個線程。

　　線程的狀態切換

　　對於線程來講，從我們創建它一直到線程運行結束，在這個過程中，線程的狀態可能是這樣的：

• 創建：已經有Thread實例了， 但是CPU還有為其分配資源和時間片。
• 就緒：線程已經獲得了運行所需的所有資源，只等CPU進行時間調度。
• 運行：線程位於當前CPU時間片中，正在執行相關邏輯。
• 休眠：一般是調用Thread.sleep后的狀態，這時線程依然持有運行所需的各種資源，但是不會被CPU調度。
• 掛起：一般是調用Thread.suspend后的狀態，和休眠類似，CPU不會調度該線程，不同的是，這種狀態下，線程會釋放所有資源。
• 死亡：線程運行結束或者調用了Thread.stop方法。

　　下面我們來演示如何進行線程狀態切換，首先我們會用到下面方法：

• Thread()或者Thread(Runnable)：構造線程。
• Thread.start：啟動線程。
• Thread.sleep：將線程切換至休眠狀態。
• Thread.interrupt：中斷線程的執行。
• Thread.join：等待某線程結束。
• Thread.yield：剝奪線程在CPU上的執行時間片，等待下一次調度。
• Object.wait：將Object上所有線程鎖定，直到notify方法才繼續運行。
• Object.notify：隨機喚醒Object上的1個線程。
• Object.notifyAll：喚醒Object上的所有線程。

　　下面，就是演示時間啦！！！

　　線程等待與喚醒

　　這里主要使用Object.wait和Object.notify方法，請參見上面的notify實例。需要注意的是，wait和notify都必須針對同一個對象，當我們使用實現Runnable接口的方式來創建線程時，應該是在Runnable對象而非Thread對象上使用這兩個方法。

　　線程的休眠與喚醒

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("線程 " + Thread.currentThread().getName() + "將要休眠5分鍾。");
                try
                {
                    Thread.sleep(5*60*1000);
                }
                catch(InterruptedException ex)
                {
                    System.out.println("線程 " + Thread.currentThread().getName() + "休眠被中斷。");
                }
                System.out.println("線程 " + Thread.currentThread().getName() + "休眠結束。");
            }
        };
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
        Thread.sleep(500);
        thread.interrupt();
    }

}

　　線程在休眠過程中，我們可以使用Thread.interrupt將其喚醒，這時線程會拋出InterruptedException。

　　線程的終止

　　雖然有Thread.stop方法，但該方法是不被推薦使用的，我們可以利用上面休眠與喚醒的機制，讓線程在處理IterruptedException時，結束線程。

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("線程運行中。");
                try
                {
                    Thread.sleep(1*60*1000);
                }
                catch(InterruptedException ex)
                {
                    System.out.println("線程中斷，結束線程");
                    return;
                }
                System.out.println("線程正常結束。");
            }
        };
        thread.start();
        Thread.sleep(500);
        thread.interrupt();
    }
}

　　線程的同步等待

　　當我們在主線程中創建了10個子線程，然后我們期望10個子線程全部結束后，主線程在執行接下來的邏輯，這時，就該Thread.join登場了。

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("線程在運行。");
                        Thread.sleep(1000);
                    }
                }
                catch(InterruptedException ex)
                {
                    ex.printStackTrace();
                }
            }
        };
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread.join();
        System.out.println("主線程正常結束。");
    }
}

　　我們可以試着將thread.join();注釋或者刪除，再次運行程序，就可以發現不同了。

　　線程間通信

　　我們知道，一個進程下面的所有線程是共享內存空間的，那么我們如何在不同的線程之間傳遞消息呢？在回顧 Java I/O時，我們談到了PipedStream和PipedReader，這里，就是它們發揮作用的地方了。

　　下面的兩個示例，功能完全一樣，不同的是一個使用Stream，一個使用Reader/Writer。

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();
}

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();
}

 

　　這篇文章就到這里，我們會在下一篇里，討論同步的話題。