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Java 多线程编程

2021-12-10 -

多线程能满足程序员编写高效率的程序来达到充分利用 CPU 的目的。一个进程是一个独立(self contained)的运行环境，它可以被看作一个程序或者一个应用。而线程是在进程中执行的一个任务。Java运行环境是一个包含了不同的类和程序的单一进程。线程可以被称为轻量级进程。线程需要较少的资源来创建和驻留在进程中，并且可以共享进程中的资源。

多线程编程的好处

在多线程程序中，多个线程被并发地执行以提高程序的效率，CPU不会因为某个线程需要等待资源而进入空闲状态。多个线程共享堆内存(heap memory)，因此创建多个线程去执行一些任务会比创建多个进程更好。
大体来说有以下优点：

  1. 资源利用率更好
  2. 程序设计在某些情况下更简单
  3. 程序响应更快

线程的生命周期

一个线程从产生到死亡有一个完整的生命周期。

新建状态:
使用 new 关键字和 Thread 类或其子类建立一个线程对象后，该线程对象就处于新建状态。它保持这个状态直到程序 start() 这个线程。

就绪状态:
当线程对象调用了 start() 方法之后，该线程就进入就绪状态。就绪状态的线程处于就绪队列中，要等待JVM里线程调度器的调度。

运行状态:
如果就绪状态的线程获取 CPU 资源，就可以执行 run()，此时线程便处于运行状态。处于运行状态的线程最为复杂，它可以变为阻塞状态、就绪状态和死亡状态。

阻塞状态:
如果一个线程执行了 sleep（睡眠）、suspend（挂起）等方法，失去所占用资源之后，该线程就从运行状态进入阻塞状态。在睡眠时间已到或获得设备资源后可以重新进入就绪状态。可以分为三种：

  • 等待阻塞：运行状态中的线程执行 wait() 方法，使线程进入到等待阻塞状态。
  • 同步阻塞：线程在获取 synchronized 同步锁失败(因为同步锁被其他线程占用)。
  • 其他阻塞：通过调用线程的 sleep() 或 join() 发出了 I/O 请求时，线程就会进入到阻塞状态。当sleep() 状态超时，join() 等待线程终止或超时，或者 I/O 处理完毕，线程重新转入就绪状态。

死亡状态:
一个运行状态的线程完成任务或者其他终止条件发生时，该线程就切换到终止状态。

创建一个线程

Java 提供了三种创建线程的方法：

  • 通过实现 Runnable 接口；
  • 通过继承 Thread 类本身；
  • 通过 Callable 和 Future 创建线程。

通过实现 Runnable 接口来创建线程

创建一个新的线程最简单的方法就是创建一个实现Runnable接口的类。
Runnable是一个方法接口（所以可以使用lambda表达式），一个类只需要执行一个方法调用 run()。

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

你可以重写该方法，重要的是理解的 run() 可以调用其他方法，使用其他类，并声明变量，就像主线程一样。

在有了实现了Runnable接口的类后，你就可以在你的代码里实例化线程对象（Thread）了，Thread定义了几个构造方法，常用：

Thread(Runnable threadOb,String threadName);    // threadName指定新线程的名字

通过继承Thread来创建线程

创建一个线程的第二种方法是创建一个新的类，该类继承 Thread 类，然后创建一个该类的实例。
继承类必须重写 run() 方法，该方法是新线程的入口点。它也必须调用 start() 方法才能执行。
该方法尽管被列为一种多线程实现方式，但是本质上也是实现了 Runnable 接口的一个实例。

Thread类有一些重要的方法和静态方法，可以参考这个链接：Thread方法。

可以直接调用Thread类的run()方法么？
当然可以，但是如果我们调用了Thread的run()方法，它的行为就会和普通的方法一样，为了在新的线程中执行我们的代码，必须使用Thread.start()方法使该线程开始执行，JVM会调用该线程的 run() 方法

通过Callable和Future创建线程

  1. 创建 Callable 接口的实现类，并实现 call() 方法，该 call() 方法将作为线程执行体，并且有返回值。

  2. 创建 Callable 实现类的实例，使用 FutureTask 类来包装 Callable 对象，该 FutureTask 对象封装了该 Callable 对象的 call() 方法的返回值。

  3. 使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程。

  4. 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。

上图展示了FutureTask的继承实现结构，实质上是对Runnable的一个封装。

@Test
@DisplayName("thread test")
public void testTest() throws ExecutionException, InterruptedException {
    class IC implements Callable<Integer>{
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            return 1;
        }
    }
    IC ic = new IC();
    FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(ic);
    new Thread(ft).start();
    System.out.println(ft.get());
}

使用Callable的好处

Runnable缺少的一项功能是，当线程终止时（即run()完成时），我们无法使线程返回结果。为了支持此功能，Java中提供了Callable接口。
而且Callable及Future能抛出异常，Runnable则不行。

参考