java 基础教程之多线程详解及简单实例
2017-03-06 16:04
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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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