Java學習多線程第一天

內容介紹

• Thread
• 線程創建
• 線程池
• 線程狀態圖

1 多線程

1.1     多線程介紹

學習多線程之前，我們先要了解幾個關於多線程有關的概念。

進程：進程指正在運行的程序。確切的來說，當一個程序進入內存運行，即變成一個進程，進程是處於運行過程中的程序，並且具有一定獨立功能。

 

線程：線程是進程中的一個執行單元，負責當前進程中程序的執行，一個進程中至少有一個線程。一個進程中是可以有多個線程的，這個應用程序也可以稱之為多線程程序。

簡而言之：一個程序運行后至少有一個進程，一個進程中可以包含多個線程

 

 什么是多線程呢？即就是一個程序中有多個線程在同時執行。

通過下圖來區別單線程程序與多線程程序的不同：

•  單線程程序：即，若有多個任務只能依次執行。當上一個任務執行結束后，下一個任務開始執行。如，去網吧上網，網吧只能讓一個人上網，當這個人下機后，下一個人才能上網。
•  多線程程序：即，若有多個任務可以同時執行。如，去網吧上網，網吧能夠讓多個人同時上網。

 

1.2     程序運行原理

•   分時調度

所有線程輪流使用 CPU 的使用權，平均分配每個線程占用 CPU 的時間。

•  搶占式調度

優先讓優先級高的線程使用 CPU，如果線程的優先級相同，那么會隨機選擇一個(線程隨機性)，Java使用的為搶占式調度。

1.2.1    搶占式調度詳解

大部分操作系統都支持多進程並發運行，現在的操作系統幾乎都支持同時運行多個程序。比如：現在我們上課一邊使用編輯器，一邊使用錄屏軟件，同時還開着畫圖板，dos窗口等軟件。此時，這些程序是在同時運行，”感覺這些軟件好像在同一時刻運行着“。

 

實際上，CPU(中央處理器)使用搶占式調度模式在多個線程間進行着高速的切換。對於CPU的一個核而言，某個時刻，只能執行一個線程，而 CPU的在多個線程間切換速度相對我們的感覺要快，看上去就是在同一時刻運行。

其實，多線程程序並不能提高程序的運行速度，但能夠提高程序運行效率，讓CPU的使用率更高。

1.3     主線程

回想我們以前學習中寫過的代碼，當我們在dos命令行中輸入java空格類名回車后，啟動JVM，並且加載對應的class文件。虛擬機並會從main方法開始執行我們的程序代碼，一直把main方法的代碼執行結束。如果在執行過程遇到循環時間比較長的代碼，那么在循環之后的其他代碼是不會被馬上執行的。如下代碼演示：

class Demo{
    String name;
    Demo(String name){
        this.name = name;
    }
    void show()    {
        for (int i=1;i<=10000 ;i++ )        {
            System.out.println("name="+name+",i="+i);
        }
    }
}

class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args)     {
        Demo d = new Demo("小強");
         Demo d2 = new Demo("旺財");
        d.show();        
        d2.show();
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

若在上述代碼中show方法中的循環執行次數很多，這時在d.show();下面的代碼是不會馬上執行的，並且在dos窗口會看到不停的輸出name=小強,i=值，這樣的語句。為什么會這樣呢？

原因是：jvm啟動后，必然有一個執行路徑(線程)從main方法開始的，一直執行到main方法結束，這個線程在java中稱之為主線程。當程序的主線程執行時，如果遇到了循環而導致程序在指定位置停留時間過長，則無法馬上執行下面的程序，需要等待循環結束后能夠執行。

那么，能否實現一個主線程負責執行其中一個循環，再由另一個線程負責其他代碼的執行，最終實現多部分代碼同時執行的效果？

能夠實現同時執行，通過Java中的多線程技術來解決該問題。

1.4     Thread類

該如何創建線程呢？通過API中搜索，查到Thread類。通過閱讀Thread類中的描述。Thread是程序中的執行線程。Java 虛擬機允許應用程序並發地運行多個執行線程。

 通過查看API可以發現創建新執行線程有兩種方法。

•  一種方法是將類聲明為 Thread 的子類。該子類應重寫 Thread 類的 run 方法。創建對象，開啟線程。run方法相當於其他線程的main方法。
•  另一種方法是聲明一個實現 Runnable 接口的類。該類然后實現 run 方法。然后創建Runnable的子類對象，傳入到某個線程的構造方法中，開啟線程。

1.5     創建線程方式一繼承Thread類

創建線程的步驟：

　　1 定義一個類繼承Thread。

　　2 重寫run方法。

　　3 創建子類對象，就是創建線程對象。

　　4 調用start方法，開啟線程並讓線程執行，同時還會告訴jvm去調用run方法。

  測試類

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        //創建自定義線程對象
        MyThread mt = new MyThread("新的線程！");
        //開啟新線程
        mt.start();
        //在主方法中執行for循環
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main線程！"+i);
        }
    }
}

  自定義線程類

public class MyThread extends Thread {
    //定義指定線程名稱的構造方法
    public MyThread(String name) {
        //調用父類的String參數的構造方法，指定線程的名稱
        super(name);
    }
    /**
     * 重寫run方法，完成該線程執行的邏輯
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName()+"：正在執行！"+i);
        }
    }
}

思考：線程對象調用 run方法和調用start方法區別？

線程對象調用run方法不開啟線程。僅是對象調用方法。線程對象調用start開啟線程，並讓jvm調用run方法在開啟的線程中執行。

1.5.1    繼承Thread類原理

我們為什么要繼承Thread類，並調用其的start方法才能開啟線程呢？

繼承Thread類：因為Thread類用來描述線程，具備線程應該有功能。那為什么不直接創建Thread類的對象呢？如下代碼：

Thread t1 = new Thread();
t1.start();//這樣做沒有錯，但是該start調用的是Thread類中的run方法，而這個run方法沒有做什么事情，更重要的是這個run方法中並沒有定義我們需要讓線程執行的代碼。

創建線程的目的是什么？

是為了建立程序單獨的執行路徑，讓多部分代碼實現同時執行。也就是說線程創建並執行需要給定線程要執行的任務。

對於之前所講的主線程，它的任務定義在main函數中。自定義線程需要執行的任務都定義在run方法中。

Thread類run方法中的任務並不是我們所需要的，只有重寫這個run方法。既然Thread類已經定義了線程任務的編寫位置（run方法），那么只要在編寫位置（run方法）中定義任務代碼即可。所以進行了重寫run方法動作。

1.5.2    多線程的內存圖解

多線程執行時，到底在內存中是如何運行的呢？

以上個程序為例，進行圖解說明：

多線程執行時，在棧內存中，其實每一個執行線程都有一片自己所屬的棧內存空間。進行方法的壓棧和彈棧。

當執行線程的任務結束了，線程自動在棧內存中釋放了。但是當所有的執行線程都結束了，那么進程就結束了。

1.5.3    獲取線程名稱

開啟的線程都會有自己的獨立運行棧內存，那么這些運行的線程的名字是什么呢？該如何獲取呢？既然是線程的名字，按照面向對象的特點，是哪個對象的屬性和誰的功能，那么我們就去找那個對象就可以了。查閱Thread類的API文檔發現有個方法是獲取當前正在運行的線程對象。還有個方法是獲取當前線程對象的名稱。既然找到了，我們就可以試試。

•   Thread.currentThread()獲取當前線程對象
•   Thread.currentThread().getName();獲取當前線程對象的名稱

class MyThread extends Thread {  //繼承Thread
    MyThread(String name){
        super(name);
    }
    //復寫其中的run方法
    public void run(){
        for (int i=1;i<=20 ;i++ ){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",i="+i);
        }
    }
}
class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args)     {
        //創建兩個線程任務
        MyThread d = new MyThread();
        MyThread d2 = new MyThread();
        d.run();//沒有開啟新線程, 在主線程調用run方法
        d2.start();//開啟一個新線程，新線程調用run方法
    }
}

1.6     創建線程方式—實現Runnable接口

創建線程的另一種方法是聲明實現 Runnable 接口的類。該類然后實現 run 方法。然后創建Runnable的子類對象，傳入到某個線程的構造方法中，開啟線程。

為何要實現Runnable接口，Runable是啥玩意呢？繼續API搜索。

查看Runnable接口說明文檔：Runnable接口用來指定每個線程要執行的任務。包含了一個 run 的無參數抽象方法，需要由接口實現類重寫該方法。

創建線程的步驟。

　　1、定義類實現Runnable接口。

　　2、覆蓋接口中的run方法。。

　　3、創建Thread類的對象

　　4、將Runnable接口的子類對象作為參數傳遞給Thread類的構造函數。

　　5、調用Thread類的start方法開啟線程。

•  代碼演示：

public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) {
        //創建線程執行目標類對象
        Runnable runn = new MyRunnable();
        //將Runnable接口的子類對象作為參數傳遞給Thread類的構造函數
        Thread thread = new Thread(runn);
        Thread thread2 = new Thread(runn);
        //開啟線程
        thread.start();
        thread2.start();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main線程：正在執行！"+i);
        }
    }
}

•   自定義線程執行任務類

public class MyRunnable implements Runnable{

    //定義線程要執行的run方法邏輯
    @Override
    public void run() {
        
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("我的線程：正在執行！"+i);
        }
    }
}

1.6.1    實現Runnable的原理

為什么需要定一個類去實現Runnable接口呢？繼承Thread類和實現Runnable接口有啥區別呢？

實現Runnable接口，避免了繼承Thread類的單繼承局限性。覆蓋Runnable接口中的run方法，將線程任務代碼定義到run方法中。

創建Thread類的對象，只有創建Thread類的對象才可以創建線程。線程任務已被封裝到Runnable接口的run方法中，而這個run方法所屬於Runnable接口的子類對象，所以將這個子類對象作為參數傳遞給Thread的構造函數，這樣，線程對象創建時就可以明確要運行的線程的任務。

1.6.2    實現Runnable的好處

第二種方式實現Runnable接口避免了單繼承的局限性，所以較為常用。實現Runnable接口的方式，更加的符合面向對象，線程分為兩部分，一部分線程對象，一部分線程任務。繼承Thread類，線程對象和線程任務耦合在一起。一旦創建Thread類的子類對象，既是線程對象，有又有線程任務。實現runnable接口，將線程任務單獨分離出來封裝成對象，類型就是Runnable接口類型。Runnable接口對線程對象和線程任務進行解耦。

1.7     線程的匿名內部類使用

使用線程的內匿名內部類方式，可以方便的實現每個線程執行不同的線程任務操作。

•  方式1：創建線程對象時，直接重寫Thread類中的run方法

new Thread() {
            public void run() {
                for (int x = 0; x < 40; x++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "...X...." + x);
                }
            }
        }.start();

•  方式2：使用匿名內部類的方式實現Runnable接口，重新Runnable接口中的run方法

Runnable r = new Runnable() {
            public void run() {
                for (int x = 0; x < 40; x++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "...Y...." + x);
                }
            }
        };
        new Thread(r).start();

2  線程池

2.1     線程池概念

線程池，其實就是一個容納多個線程的容器，其中的線程可以反復使用，省去了頻繁創建線程對象的操作，無需反復創建線程而消耗過多資源。

我們詳細的解釋一下為什么要使用線程池？

在java中，如果每個請求到達就創建一個新線程，開銷是相當大的。在實際使用中，創建和銷毀線程花費的時間和消耗的系統資源都相當大，甚至可能要比在處理實際的用戶請求的時間和資源要多的多。除了創建和銷毀線程的開銷之外，活動的線程也需要消耗系統資源。如果在一個jvm里創建太多的線程，可能會使系統由於過度消耗內存或“切換過度”而導致系統資源不足。為了防止資源不足，需要采取一些辦法來限制任何給定時刻處理的請求數目，盡可能減少創建和銷毀線程的次數，特別是一些資源耗費比較大的線程的創建和銷毀，盡量利用已有對象來進行服務。

線程池主要用來解決線程生命周期開銷問題和資源不足問題。通過對多個任務重復使用線程，線程創建的開銷就被分攤到了多個任務上了，而且由於在請求到達時線程已經存在，所以消除了線程創建所帶來的延遲。這樣，就可以立即為請求服務，使用應用程序響應更快。另外，通過適當的調整線程中的線程數目可以防止出現資源不足的情況。

2.2     使用線程池方式--Runnable接口

通常，線程池都是通過線程池工廠創建，再調用線程池中的方法獲取線程，再通過線程去執行任務方法。                                                                                                                               

•   Executors：線程池創建工廠類

  public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)：返回線程池對象

•   ExecutorService：線程池類

  Future<?> submit(Runnable task)：獲取線程池中的某一個線程對象，並執行

•   Future接口：用來記錄線程任務執行完畢后產生的結果。線程池創建與使用
•   使用線程池中線程對象的步驟：

  創建線程池對象

  創建Runnable接口子類對象

  提交Runnable接口子類對象

  關閉線程池

代碼:

public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //創建線程池對象
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2個線程對象
        //創建Runnable實例對象
        MyRunnable r = new MyRunnable();
        
        //自己創建線程對象的方式
        //Thread t = new Thread(r);
        //t.start(); ---> 調用MyRunnable中的run()
        
        //從線程池中獲取線程對象,然后調用MyRunnable中的run()
        service.submit(r);
        //再獲取個線程對象，調用MyRunnable中的run()
        service.submit(r);
        service.submit(r);
//注意：submit方法調用結束后，程序並不終止，是因為線程池控制了線程的關閉。將使用完的線程又歸還到了線程池中

//關閉線程池
        //service.shutdown();
    }
}

•   Runnable接口實現類

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("我要一個教練");
        
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("教練來了： " +Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("教我游泳,交完后，教練回到了游泳池");
    }
}

2.3     使用線程池方式—Callable接口

•   Callable接口：與Runnable接口功能相似，用來指定線程的任務。其中的call()方法，用來返回線程任務執行完畢后的結果，call方法可拋出異常。
•   ExecutorService：線程池類

  <T> Future<T> submit(Callable<T> task)：獲取線程池中的某一個線程對象，並執行線程中的call()方法

•   Future接口：用來記錄線程任務執行完畢后產生的結果。線程池創建與使用

•   使用線程池中線程對象的步驟：

  創建線程池對象

  創建Callable接口子類對象

  提交Callable接口子類對象

  關閉線程池

代碼：

public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //創建線程池對象
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2個線程對象
        //創建Callable對象
        MyCallable c = new MyCallable();
        
        //從線程池中獲取線程對象,然后調用MyRunnable中的run()
        service.submit(c);
        
        //再獲取個教練
        service.submit(c);
        service.submit(c);
//注意：submit方法調用結束后，程序並不終止，是因為線程池控制了線程的關閉。將使用完的線程又歸還到了線程池中

//關閉線程池
        //service.shutdown();
    }
}

•  Callable接口實現類,call方法可拋出異常、返回線程任務執行完畢后的結果

public class MyCallable implements Callable {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        System.out.println("我要一個教練:call");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("教練來了： " +Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("教我游泳,交完后,教練回到了游泳池");
        return null;
    }
}

2.4     線程池練習：返回兩個數相加的結果

要求：通過線程池中的線程對象，使用Callable接口完成兩個數求和操作

•   Future接口：用來記錄線程任務執行完畢后產生的結果。線程池創建與使用

  V get() 獲取Future對象中封裝的數據結果

代碼:

public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        //創建線程池對象
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
        
        //創建一個Callable接口子類對象
        //MyCallable c = new MyCallable();
        MyCallable c = new MyCallable(100, 200);
        MyCallable c2 = new MyCallable(10, 20);
        
        //獲取線程池中的線程，調用Callable接口子類對象中的call()方法, 完成求和操作
        //<Integer> Future<Integer> submit(Callable<Integer> task)
        // Future 結果對象
        Future<Integer> result = threadPool.submit(c);
        //此 Future 的 get 方法所返回的結果類型
        Integer sum = result.get();
        System.out.println("sum=" + sum);
        
        //再演示
        result = threadPool.submit(c2);
        sum = result.get();
        System.out.println("sum=" + sum);
        //關閉線程池(可以不關閉)
        
    }
}

•   Callable接口實現類

public class MyCallable implements Callable<Integer> {
    //成員變量
    int x = 5;
    int y = 3;
    //構造方法
    public MyCallable(){
    }
    public MyCallable(int x, int y){
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        return x+y;
    }
}