Java 给多线程编程提供了内置的支持。 一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。
多线程是多任务的一种特别的形式,但多线程使用了更小的资源开销。
这里定义和线程相关的另一个术语 - 进程:一个进程包括由操作系统分配的内存空间,包含一个或多个线程。一个线程不能独立的存在,它必须是进程的一部分。一个进程一直运行,直到所有的非守护线程都结束运行后才能结束。
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。
JAVA多线程实现:
1,继承Thread类;
2,实现Runnable接口;
3,使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回值的多线程。
线程的优先级
每一个 Java 线程都有一个优先级,这样有助于操作系统确定线程的调度顺序。
Java 线程的优先级是一个整数,其取值范围是 1 (Thread.MIN_PRIORITY ) - 10 (Thread.MAX_PRIORITY )。
默认情况下,每一个线程都会分配一个优先级 NORM_PRIORITY(5)。
具有较高优先级的线程对程序更重要,并且应该在低优先级的线程之前分配处理器资源。但是,线程优先级不能保证线程执行的顺序,而且非常依赖于平台。
线程的状态
public enum State { NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED; }
- NEW 状态是指线程刚创建, 尚未启动
- RUNNABLE 状态是线程正在正常运行中, 当然可能会有某种耗时计算/IO等待的操作/CPU时间片切换等, 这个状态下发生的等待一般是其他系统资源, 而不是锁, Sleep等
- BLOCKED 这个状态下, 是在多个线程有同步操作的场景, 比如正在等待另一个线程的synchronized 块的执行释放, 或者可重入的 synchronized块里别人调用wait() 方法, 也就是这里是线程在等待进入临界区
- WAITING 这个状态下是指线程拥有了某个锁之后, 调用了他的wait方法, 等待其他线程/锁拥有者调用 notify / notifyAll 一遍该线程可以继续下一步操作, 这里要区分 BLOCKED 和 WATING 的区别, 一个是在临界点外面等待进入, 一个是在理解点里面wait等待别人notify, 线程调用了join方法 join了另外的线程的时候, 也会进入WAITING状态, 等待被他join的线程执行结束
- TIMED_WAITING 这个状态就是有限的(时间限制)的WAITING, 一般出现在调用wait(long), join(long)等情况下, 另外一个线程sleep后, 也会进入TIMED_WAITING状态
- TERMINATED 这个状态下表示 该线程的run方法已经执行完毕了, 基本上就等于死亡了(当时如果线程被持久持有, 可能不会被回收)
java层次的状态转换图
操作系统层次的状态转换图
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。
Runnable类信息
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
public abstract void run();
}
实现 Runnable
public 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。
在创建一个实现 Runnable 接口的类之后,你可以在类中实例化一个线程对象。
1 class MyRunnable implements Runnable {
2 private int i = 0;
3
4 @Override
5 public void run() {
6 for (i = 0; i < 100; i++) {
7 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
8 }
9 }
10 }
继承 Thread 类
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。
1 class MyThread extends Thread {
2
3 private int i = 0;
4
5 @Override
6 public void run() {
7 for (i = 0; i < 100; i++) {
8 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
9 }
10 }
11 }
Thread类信息
// Thread本身也是继承了Runnable接口
public class Thread implements Runnable {
private volatile char name[];
private int priority;
private Thread threadQ;
private long eetop;
private boolean single_step;
private boolean daemon = false;
// 虚拟机状态
private boolean stillborn = false;
// 实际的线程任务
private Runnable target;
private ThreadGroup group;
private ClassLoader contextClassLoader;
private AccessControlContext inheritedAccessControlContext;
// 所有初始化线程的数目
private static int threadInitNumber;
private static synchronized int nextThreadNum() {
return threadInitNumber++;
}
// 这是为ThreadLocal类维护的一些变量
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
private long stackSize;
private long nativeParkEventPointer;
// 线程id相关
private long tid;
private static long threadSeqNumber;
private static synchronized long nextThreadID() {
return ++threadSeqNumber;
}
// 线程状态
private volatile int threadStatus = 0;
volatile Object parkBlocker;
private volatile Interruptible blocker;
private final Object blockerLock = new Object();
void blockedOn(Interruptible b) {
synchronized (blockerLock) {
blocker = b;
}
}
// java中的线程总共分了10个优先级
// 最小优先级为1,最大为10,默认为5
public final static int MIN_PRIORITY = 1;
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
public final static int MAX_PRIORITY = 10;
}
Thread 方法
下表列出了Thread类的一些重要方法:
序号 | 方法描述 |
1 | public void start() 使该线程开始执行;Java 虚拟机调用该线程的 run 方法。 |
2 | public void run() 如果该线程是使用独立的 Runnable 运行对象构造的,则调用该 Runnable 对象的 run 方法;否则,该方法不执行任何操作并返回。 |
3 | public final void setName(String name) 改变线程名称,使之与参数 name 相同。 |
4 | public final void setPriority(int priority) 更改线程的优先级。 |
5 | public final void setDaemon(boolean on) 将该线程标记为守护线程或用户线程。 |
6 | public final void join(long millisec) 等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。 |
7 | public void interrupt() 中断线程。 |
8 | public final boolean isAlive() 测试线程是否处于活动状态。 |
测试线程是否处于活动状态。 上述方法是被Thread对象调用的。下面的方法是Thread类的静态方法。
序号 | 方法描述 |
1 | public static void yield() 暂停当前正在执行的线程对象,并执行其他线程。 |
2 | public static void sleep(long millisec) 在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠(暂停执行),此操作受到系统计时器和调度程序精度和准确性的影响。 |
3 | public static boolean holdsLock(Object x) 当且仅当当前线程在指定的对象上保持监视器锁时,才返回 true。 |
4 | public static Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用。 |
5 | public static void dumpStack() 将当前线程的堆栈跟踪打印至标准错误流。 |
通过 Callable 和 Future 创建线程
Callable接口中call方法是线程的执行体。下面是两个接口实现执行体的不同:
(1) call方法有返回值,但是run方法没有
(2) call方法可以生命抛出异常
所以可以说Callable接口是Runnable接口的增强版本
Future接口是对Callable任务的执行结果进行取消,查询是否完成,获取结果的。
在Runnable中run方法为线程的执行体,但是在
- 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。
public class CallableThreadTest implements Callable<Integer> {
public static void main(String[] args)
{
CallableThreadTest ctt = new CallableThreadTest();
FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(ctt);
for(int i = 0;i < 100;i++)
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 的循环变量i的值"+i);
if(i==20)
{
new Thread(ft,"有返回值的线程").start();
}
}
try
{
System.out.println("子线程的返回值:"+ft.get());
} catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e)
{
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public Integer call() throws Exception
{
int i = 0;
for(;i<100;i++)
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
}
return i;
}
}
创建线程的三种方式的对比
- 1. 采用实现 Runnable、Callable 接口的方式创建多线程时,线程类只是实现了 Runnable 接口或 Callable 接口,还可以继承其他类。
- 2. 使用继承 Thread 类的方式创建多线程时,编写简单,如果需要访问当前线程,则无需使用 Thread.currentThread() 方法,直接使用 this 即可获得当前线程。
线程池
线程池,其实就是一个容纳多个线程的容器,其中的线程可以反复使用,省去了频繁创建线程对象的操作,无需反复创建线程而消耗过多资源。
线程池主要用来解决线程生命周期开销问题和资源不足问题。通过对多个任务重复使用线程,线程创建的开销就被分摊到了多个任务上了,而且由于在请求到达时线程已经存在,所以消除了线程创建所带来的延迟。这样,就可以立即为请求服务,使用应用程序响应更快;另外,通过适当的调整线程中的线程数目可以防止出现资源不足的情况。
线程池都是通过线程池工厂创建,再调用线程池中的方法获取线程,再通过线程去执行任务方法。
- Executors:线程池创建工厂类
- public static ExecutorServicenewFixedThreadPool(int nThreads):返回线程池对象
- ExecutorService:线程池类
- Future<?> submit(Runnable task):获取线程池中的某一个线程对象,并执行
- Future 接口:用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用
Executors提供四种线程池,分别为:
newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池,如果线程池长度超过处理需要,可灵活回收空闲线程,若无可回收,则新建线程。
newFixedThreadPool 创建一个定长线程池,可控制线程最大并发数,超出的线程会在队列中等待。
newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行。
newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池,它只会用唯一的工作线程来执行任务,保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。
newCachedThreadPool
创建一个可缓存线程池,如果线程池长度超过处理需要,可灵活回收空闲线程,若无可回收,则新建线程。示例代码如下:
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int index = i;
try {
Thread.sleep(index * 1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
cachedThreadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(index);
}
});
}
线程池为无限大,当执行第二个任务时第一个任务已经完成,会复用执行第一个任务的线程,而不用每次新建线程。
newFixedThreadPool
创建一个定长线程池,可控制线程最大并发数,超出的线程会在队列中等待。示例代码如下:
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int index = i;
fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(index);
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
});
}
因为线程池大小为3,每个任务输出index后sleep 2秒,所以每两秒打印3个数字。
定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()。可参考PreloadDataCache。
newScheduledThreadPool
创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下:
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("delay 3 seconds");
}
}, 3, TimeUnit.SECONDS);
表示延迟3秒执行。
定期执行示例代码如下:
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");
}
}, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);
表示延迟1秒后每3秒执行一次。
ScheduledExecutorService比Timer更安全,功能更强大,后面会有一篇单独进行对比。
newSingleThreadExecutor
创建一个单线程化的线程池,它只会用唯一的工作线程来执行任务,保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码如下:
ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int index = i;
singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(index);
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
});
}
结果依次输出,相当于顺序执行各个任务。
现行大多数GUI程序都是单线程的。Android中单线程可用于数据库操作,文件操作,应用批量安装,应用批量删除等不适合并发但可能IO阻塞性及影响UI线程响应的操作。
实现并启动线程有两种方法
- 1、写一个类继承自 Thread 类,重写 run 方法。用 start 方法启动线程
- 2、写一个类实现 Runnable 接口,实现 run 方法。用 new Thread(Runnable target).start() 方法来启动
多线程原理:相当于玩游戏机,只有一个游戏机(cpu),可是有很多人要玩,于是,start 是排队!等 CPU 选中你就是轮到你,你就 run(),当 CPU 的运行的时间片执行完,这个线程就继续排队,等待下一次的run()。
调用 start() 后,线程会被放到等待队列,等待 CPU 调度,并不一定要马上开始执行,只是将这个线程置于可动行状态。然后通过 JVM,线程 Thread 会调用 run() 方法,执行本线程的线程体。先调用 start 后调用 run,这么麻烦,为了不直接调用 run?就是为了实现多线程的优点,没这个 start 不行。
- 1.start() 方法来启动线程,真正实现了多线程运行。这时无需等待 run 方法体代码执行完毕,可以直接继续执行下面的代码;通过调用 Thread 类的 start() 方法来启动一个线程, 这时此线程是处于就绪状态, 并没有运行。 然后通过此 Thread 类调用方法 run() 来完成其运行操作的, 这里方法 run() 称为线程体,它包含了要执行的这个线程的内容, run 方法运行结束, 此线程终止。然后 CPU 再调度其它线程。
- 2.run() 方法当作普通方法的方式调用。程序还是要顺序执行,要等待 run 方法体执行完毕后,才可继续执行下面的代码; 程序中只有主线程——这一个线程, 其程序执行路径还是只有一条, 这样就没有达到写线程的目的。
记住:多线程就是分时利用 CPU,宏观上让所有线程一起执行 ,也叫并发。
线程间的通信方式
①同步
这里讲的同步是指多个线程通过synchronized关键字这种方式来实现线程间的通信。
线程A和线程B持有同一个MyObject类的对象object,尽管这两个线程需要调用不同的方法,但是它们是同步执行的,比如:线程B需要等待线程A执行完了methodA()方法之后,它才能执行methodB()方法。这样,线程A和线程B就实现了 通信。
这种方式,本质上就是“共享内存”式的通信。多个线程需要访问同一个共享变量,谁拿到了锁(获得了访问权限),谁就可以执行。
②while轮询的方式
线程A不断地改变条件,线程ThreadB不停地通过while语句检测这个条件(list.size()==5)是否成立 ,从而实现了线程间的通信。但是这种方式会浪费CPU资源。
③wait/notify机制
④管道通信就是使用java.io.PipedInputStream 和 java.io.PipedOutputStream进行通信。
分布式系统中说的两种通信机制:共享内存机制和消息通信机制。感觉前面的①中的synchronized关键字和②中的while轮询 “属于” 共享内存机制,由于是轮询的条件使用了volatile关键字修饰时,这就表示它们通过判断这个“共享的条件变量“是否改变了,来实现进程间的交流。
而管道通信,更像消息传递机制,也就是说:通过管道,将一个线程中的消息发送给另一个。