多线程并发编程是Java编程中重要的一块内容,也是面试重点覆盖区域,所以学好多线程并发编程对我们来说极其重要,下面跟我一起开启本次的学习之旅吧。
1 线程:进程中负责程序执行的执行单元
线程本身依靠程序进行运行
线程是程序中的顺序控制流,只能使用分配给程序的资源和环境
2 进程:执行中的程序
一个进程至少包含一个线程
3 单线程:程序中只存在一个线程,实际上主方法就是一个主线程
4 多线程:在一个程序中运行多个任务
目的是更好地使用CPU资源
在 java.lang
包中定义, 继承Thread类必须重写 run()
方法
class MyThread extends Thread{ private static int num = 0; public MyThread(){ num++; } @Override public void run() { System.out.println("主动创建的第"+num+"个线程"); } }
创建好了自己的线程类之后,就可以创建线程对象了,然后通过start()方法去启动线程。注意,不是调用run()方法启动线程,run方法中只是定义需要执行的任务,如果调用run方法,即相当于在主线程中执行run方法,跟普通的方法调用没有任何区别,此时并不会创建一个新的线程来执行定义的任务。
public class Test { public static void main(String[] args) { MyThread thread = new MyThread(); thread.start(); } } class MyThread extends Thread{ private static int num = 0; public MyThread(){ num++; } @Override public void run() { System.out.println("主动创建的第"+num+"个线程"); } }
在上面代码中,通过调用start()方法,就会创建一个新的线程了。为了分清start()方法调用和run()方法调用的区别,请看下面一个例子:
public class Test { public static void main(String[] args) { System.out.println("主线程ID:"+Thread.currentThread().getId()); MyThread thread1 = new MyThread("thread1"); thread1.start(); MyThread thread2 = new MyThread("thread2"); thread2.run(); } } class MyThread extends Thread{ private String name; public MyThread(String name){ this.name = name; } @Override public void run() { System.out.println("name:"+name+" 子线程ID:"+Thread.currentThread().getId()); } }
运行结果:
从输出结果可以得出以下结论:
1)thread1和thread2的线程ID不同,thread2和主线程ID相同,说明通过run方法调用并不会创建新的线程,而是在主线程中直接运行run方法,跟普通的方法调用没有任何区别;
2)虽然thread1的start方法调用在thread2的run方法前面调用,但是先输出的是thread2的run方法调用的相关信息,说明新线程创建的过程不会阻塞主线程的后续执行。
在Java中创建线程除了继承Thread类之外,还可以通过实现Runnable接口来实现类似的功能。实现Runnable接口必须重写其run方法。
下面是一个例子:
public class Test { public static void main(String[] args) { System.out.println("主线程ID:"+Thread.currentThread().getId()); MyRunnable runnable = new MyRunnable(); Thread thread = new Thread(runnable); thread.start(); } } class MyRunnable implements Runnable{ public MyRunnable() { } @Override public void run() { System.out.println("子线程ID:"+Thread.currentThread().getId()); } }
Runnable的中文意思是“任务”,顾名思义,通过实现Runnable接口,我们定义了一个子任务,然后将子任务交由Thread去执行。注意,这种方式必须将Runnable作为Thread类的参数,然后通过Thread的start方法来创建一个新线程来执行该子任务。如果调用Runnable的run方法的话,是不会创建新线程的,这根普通的方法调用没有任何区别。
事实上,查看Thread类的实现源代码会发现Thread类是实现了Runnable接口的。
在Java中,这2种方式都可以用来创建线程去执行子任务,具体选择哪一种方式要看自己的需求。直接继承Thread类的话,可能比实现Runnable接口看起来更加简洁,但是由于Java只允许单继承,所以如果自定义类需要继承其他类,则只能选择实现Runnable接口。
多线程后续会学到,这里暂时先知道一下有这种方法即可。
ExecutorService、Callable、Future这个对象实际上都是属于Executor框架中的功能类。想要详细了解Executor框架的可以访问 http://www.javaeye.com/topic/366591 ,这里面对该框架做了很详细的解释。返回结果的线程是在JDK1.5中引入的新特征,确实很实用,有了这种特征我就不需要再为了得到返回值而大费周折了,而且即便实现了也可能漏洞百出。
可返回值的任务必须实现Callable接口,类似的,无返回值的任务必须Runnable接口。执行Callable任务后,可以获取一个Future的对象,在该对象上调用get就可以获取到Callable任务返回的Object了,再结合线程池接口ExecutorService就可以实现传说中有返回结果的多线程了。下面提供了一个完整的有返回结果的多线程测试例子,在JDK1.5下验证过没问题可以直接使用。代码如下:
/** * 有返回值的线程 */ @SuppressWarnings("unchecked") public class Test { public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { System.out.println("----程序开始运行----"); Date date1 = new Date(); int taskSize = 5; // 创建一个线程池 ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(taskSize); // 创建多个有返回值的任务 List<Future> list = new ArrayList<Future>(); for (int i = 0; i < taskSize; i++) { Callable c = new MyCallable(i + " "); // 执行任务并获取Future对象 Future f = pool.submit(c); // System.out.println(">>>" + f.get().toString()); list.add(f); } // 关闭线程池 pool.shutdown(); // 获取所有并发任务的运行结果 for (Future f : list) { // 从Future对象上获取任务的返回值,并输出到控制台 System.out.println(">>>" + f.get().toString()); } Date date2 = new Date(); System.out.println("----程序结束运行----,程序运行时间【" + (date2.getTime() - date1.getTime()) + "毫秒】"); } } class MyCallable implements Callable<Object> { private String taskNum; MyCallable(String taskNum) { this.taskNum = taskNum; } public Object call() throws Exception { System.out.println(">>>" + taskNum + "任务启动"); Date dateTmp1 = new Date(); Thread.sleep(1000); Date dateTmp2 = new Date(); long time = dateTmp2.getTime() - dateTmp1.getTime(); System.out.println(">>>" + taskNum + "任务终止"); return taskNum + "任务返回运行结果,当前任务时间【" + time + "毫秒】"; } }
代码说明:
上述代码中Executors类,提供了一系列工厂方法用于创先线程池,返回的线程池都实现了ExecutorService接口。
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
创建固定数目线程的线程池。
public static ExecutorService newCachedThreadPool()
创建一个可缓存的线程池,调用execute 将重用以前构造的线程(如果线程可用)。如果现有线程没有可用的,则创建一个新线程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
创建一个单线程化的Executor。
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
创建一个支持定时及周期性的任务执行的线程池,多数情况下可用来替代Timer类。
ExecutoreService提供了submit()方法,传递一个Callable,或Runnable,返回Future。如果Executor后台线程池还没有完成Callable的计算,这调用返回Future对象的get()方法,会阻塞直到计算完成。
在正式学习Thread类中的具体方法之前,我们先来了解一下线程有哪些状态,这个将会有助于后面对Thread类中的方法的理解。
start()
方法, 等待CPU进行调度 run()
方法 当需要新起一个线程来执行某个子任务时,就创建了一个线程。但是线程创建之后,不会立即进入就绪状态,因为线程的运行需要一些条件(比如内存资源,在前面的JVM内存区域划分一篇博文中知道程序计数器、Java栈、本地方法栈都是线程私有的,所以需要为线程分配一定的内存空间),只有线程运行需要的所有条件满足了,才进入就绪状态。
当线程进入就绪状态后,不代表立刻就能获取CPU执行时间,也许此时CPU正在执行其他的事情,因此它要等待。当得到CPU执行时间之后,线程便真正进入运行状态。
线程在运行状态过程中,可能有多个原因导致当前线程不继续运行下去,比如用户主动让线程睡眠(睡眠一定的时间之后再重新执行)、用户主动让线程等待,或者被同步块给阻塞,此时就对应着多个状态:time waiting(睡眠或等待一定的事件)、waiting(等待被唤醒)、blocked(阻塞)。
当由于突然中断或者子任务执行完毕,线程就会被消亡。
下面这副图描述了线程从创建到消亡之间的状态:
在有些教程上将blocked、waiting、time waiting统称为阻塞状态,这个也是可以的,只不过这里我想将线程的状态和Java中的方法调用联系起来,所以将waiting和time waiting两个状态分离出来。
注:sleep和wait的区别:
sleep
是 Thread
类的方法, wait
是 Object
类中定义的方法. Thread.sleep
不会导致锁行为的改变, 如果当前线程是拥有锁的, 那么 Thread.sleep
不会让线程释放锁. Thread.sleep
和 Object.wait
都会暂停当前的线程. OS会将执行时间分配给其它线程. 区别是, 调用 wait
后, 需要别的线程执行 notify/notifyAll
才能够重新获得CPU执行时间. 对于单核CPU来说(对于多核CPU,此处就理解为一个核),CPU在一个时刻只能运行一个线程,当在运行一个线程的过程中转去运行另外一个线程,这个叫做线程上下文切换(对于进程也是类似)。
由于可能当前线程的任务并没有执行完毕,所以在切换时需要保存线程的运行状态,以便下次重新切换回来时能够继续切换之前的状态运行。举个简单的例子:比如一个线程A正在读取一个文件的内容,正读到文件的一半,此时需要暂停线程A,转去执行线程B,当再次切换回来执行线程A的时候,我们不希望线程A又从文件的开头来读取。
因此需要记录线程A的运行状态,那么会记录哪些数据呢?因为下次恢复时需要知道在这之前当前线程已经执行到哪条指令了,所以需要记录程序计数器的值,另外比如说线程正在进行某个计算的时候被挂起了,那么下次继续执行的时候需要知道之前挂起时变量的值时多少,因此需要记录CPU寄存器的状态。所以一般来说,线程上下文切换过程中会记录程序计数器、CPU寄存器状态等数据。
说简单点的:对于线程的上下文切换实际上就是 存储和恢复CPU状态的过程,它使得线程执行能够从中断点恢复执行 。
虽然多线程可以使得任务执行的效率得到提升,但是由于在线程切换时同样会带来一定的开销代价,并且多个线程会导致系统资源占用的增加,所以在进行多线程编程时要注意这些因素。
编号 | 方法 | 说明 |
---|---|---|
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。 |
9 | public static void yield() |
暂停当前正在执行的线程对象,并执行其他线程。 |
10 | 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。 |
11 | public static Thread currentThread() |
返回对当前正在执行的线程对象的引用。 |
currentThread()方法可以返回代码段正在被哪个线程调用的信息。
public class Run1{ public static void main(String[] args){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()); } }
方法sleep()的作用是在指定的毫秒数内让当前“正在执行的线程”休眠(暂停执行)。这个“正在执行的线程”是指this.currentThread()返回的线程。
sleep方法有两个重载版本:
sleep(long millis) //参数为毫秒 sleep(long millis,int nanoseconds) //第一参数为毫秒,第二个参数为纳秒
sleep相当于让线程睡眠,交出CPU,让CPU去执行其他的任务。
但是有一点要非常注意,sleep方法不会释放锁,也就是说如果当前线程持有对某个对象的锁,则即使调用sleep方法,其他线程也无法访问这个对象。看下面这个例子就清楚了:
public class Test { private int i = 10; private Object object = new Object(); public static void main(String[] args) throws IOException { Test test = new Test(); MyThread thread1 = test.new MyThread(); MyThread thread2 = test.new MyThread(); thread1.start(); thread2.start(); } class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { synchronized (object) { i++; System.out.println("i:"+i); try { System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"进入睡眠状态"); Thread.currentThread().sleep(10000); } catch (InterruptedException e) { // TODO: handle exception } System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"睡眠结束"); i++; System.out.println("i:"+i); } } } }
输出结果:
从上面输出结果可以看出,当Thread-0进入睡眠状态之后,Thread-1并没有去执行具体的任务。只有当Thread-0执行完之后,此时Thread-0释放了对象锁,Thread-1才开始执行。
注意,如果调用了sleep方法,必须捕获InterruptedException异常或者将该异常向上层抛出。当线程睡眠时间满后,不一定会立即得到执行,因为此时可能CPU正在执行其他的任务。所以说调用sleep方法相当于让线程进入阻塞状态。
调用yield方法会让当前线程交出CPU权限,让CPU去执行其他的线程。它跟sleep方法类似,同样不会释放锁。但是yield不能控制具体的交出CPU的时间,另外,yield方法只能让拥有相同优先级的线程有获取CPU执行时间的机会。
注意,调用yield方法并不会让线程进入阻塞状态,而是让线程重回就绪状态,它只需要等待重新获取CPU执行时间,这一点是和sleep方法不一样的。
代码:
public class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { long beginTime=System.currentTimeMillis(); int count=0; for (int i=0;i<50000000;i++){ count=count+(i+1); //Thread.yield(); } long endTime=System.currentTimeMillis(); System.out.println("用时:"+(endTime-beginTime)+" 毫秒!"); } } public class Run { public static void main(String[] args) { MyThread t= new MyThread(); t.start(); } }
执行结果:
用时:3 毫秒!
如果将 //Thread.yield();
的注释去掉,执行结果如下:
用时:16080 毫秒!
start()用来启动一个线程,当调用start方法后,系统才会开启一个新的线程来执行用户定义的子任务,在这个过程中,会为相应的线程分配需要的资源。
run()方法是不需要用户来调用的,当通过start方法启动一个线程之后,当线程获得了CPU执行时间,便进入run方法体去执行具体的任务。注意,继承Thread类必须重写run方法,在run方法中定义具体要执行的任务。
getId()的作用是取得线程的唯一标识
代码:
public class Test { public static void main(String[] args) { Thread t= Thread.currentThread(); System.out.println(t.getName()+" "+t.getId()); } }
输出:
main 1
方法isAlive()的功能是判断当前线程是否处于活动状态
代码:
public class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { System.out.println("run="+this.isAlive()); } } public class RunTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { MyThread myThread=new MyThread(); System.out.println("begin =="+myThread.isAlive()); myThread.start(); System.out.println("end =="+myThread.isAlive()); } }
程序运行结果:
begin ==false run=true end ==false
方法isAlive()的作用是测试线程是否偶处于活动状态。什么是活动状态呢?活动状态就是线程已经启动且尚未终止。线程处于正在运行或准备开始运行的状态,就认为线程是“存活”的。
有个需要注意的地方
System.out.println("end =="+myThread.isAlive());
虽然上面的实例中打印的值是true,但此值是不确定的。打印true值是因为myThread线程还未执行完毕,所以输出true。如果代码改成下面这样,加了个sleep休眠:
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { MyThread myThread=new MyThread(); System.out.println("begin =="+myThread.isAlive()); myThread.start(); Thread.sleep(1000); System.out.println("end =="+myThread.isAlive()); }
则上述代码运行的结果输出为false,因为mythread对象已经在1秒之内执行完毕。
在很多情况下,主线程创建并启动了线程,如果子线程中药进行大量耗时运算,主线程往往将早于子线程结束之前结束。这时,如果主线程想等待子线程执行完成之后再结束,比如子线程处理一个数据,主线程要取得这个数据中的值,就要用到join()方法了。方法join()的作用是等待线程对象销毁。
public class Thread4 extends Thread{ public Thread4(String name) { super(name); } public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println(getName() + " " + i); } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 启动子进程 new Thread4("new thread").start(); for (int i = 0; i < 10; i++) { if (i == 5) { Thread4 th = new Thread4("joined thread"); th.start(); th.join(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i); } } }
执行结果:
main 0 main 1 main 2 main 3 main 4 new thread 0 new thread 1 new thread 2 new thread 3 new thread 4 joined thread 0 joined thread 1 joined thread 2 joined thread 3 joined thread 4 main 5 main 6 main 7 main 8 main 9
由上可以看出main主线程等待joined thread线程先执行完了才结束的。如果把th.join()这行注释掉,运行结果如下:
main 0 main 1 main 2 main 3 main 4 main 5 main 6 main 7 main 8 main 9 new thread 0 new thread 1 new thread 2 new thread 3 new thread 4 joined thread 0 joined thread 1 joined thread 2 joined thread 3 joined thread 4
用来得到或者设置线程名称。
用来获取和设置线程优先级。
用来设置线程是否成为守护线程和判断线程是否是守护线程。
守护线程和用户线程的区别在于:守护线程依赖于创建它的线程,而用户线程则不依赖。举个简单的例子:如果在main线程中创建了一个守护线程,当main方法运行完毕之后,守护线程也会随着消亡。而用户线程则不会,用户线程会一直运行直到其运行完毕。在JVM中,像垃圾收集器线程就是守护线程。
停止线程是在多线程开发时很重要的技术点,掌握此技术可以对线程的停止进行有效的处理。
停止一个线程可以使用Thread.stop()方法,但最好不用它。该方法是不安全的,已被弃用。
在Java中有以下3种方法可以终止正在运行的线程:
interrupt()方法
在操作系统中,线程可以划分优先级,优先级较高的线程得到的CPU资源较多,也就是CPU优先执行优先级较高的线程对象中的任务。
设置线程优先级有助于帮“线程规划器”确定在下一次选择哪一个线程来优先执行。
设置线程的优先级使用setPriority()方法,此方法在JDK的源码如下:
public final void setPriority(int newPriority) { ThreadGroup g; checkAccess(); if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) { throw new IllegalArgumentException(); } if((g = getThreadGroup()) != null) { if (newPriority > g.getMaxPriority()) { newPriority = g.getMaxPriority(); } setPriority0(priority = newPriority); } }
在Java中,线程的优先级分为1~10这10个等级,如果小于1或大于10,则JDK抛出异常throw new IllegalArgumentException()。
JDK中使用3个常量来预置定义优先级的值,代码如下:
public final static int MIN_PRIORITY = 1; public final static int NORM_PRIORITY = 5; public final static int MAX_PRIORITY = 10;
线程优先级特性:
在Java线程中有两种线程,一种是User Thread(用户线程),另一种是Daemon Thread(守护线程)。
Daemon的作用是为其他线程的运行提供服务,比如说GC线程。其实User Thread线程和Daemon Thread守护线程本质上来说去没啥区别的,唯一的区别之处就在虚拟机的离开:如果User Thread全部撤离,那么Daemon Thread也就没啥线程好服务的了,所以虚拟机也就退出了。
守护线程并非虚拟机内部可以提供,用户也可以自行的设定守护线程,方法:public final void setDaemon(boolean on) ;但是有几点需要注意:
synchronized(同步对象){ 需要同步的代码块; }
方法同步格式
synchronized void 方法名称(){}
synchronized后续会单独来学习。(●’◡’●)
线程和进程有什么区别?
答: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。线程是进程的子集,一个进程可以有很多线程,每条线程并行执行不同的任务。不同的进程使用不同的内存空间,而所有的线程共享一片相同的内存空间。别把它和栈内存搞混,每个线程都拥有单独的栈内存用来存储本地数据。
如何在Java中实现线程?
答:
创建线程有两种方式:
一、继承 Thread 类,扩展线程。
二、实现 Runnable 接口。
启动一个线程是调用run()还是start()方法?
答:启动一个线程是调用start()方法,使线程所代表的虚拟处理机处于可运行状态,这意味着它可以由JVM 调度并执行,这并不意味着线程就会立即运行。run()方法是线程启动后要进行回调(callback)的方法。
Thread类的sleep()方法和对象的wait()方法都可以让线程暂停执行,它们有什么区别?
答:sleep()方法(休眠)是线程类(Thread)的静态方法,调用此方法会让当前线程暂停执行指定的时间,将执行机会(CPU)让给其他线程,但是对象的锁依然保持,因此休眠时间结束后会自动恢复(线程回到就绪状态,请参考第66题中的线程状态转换图)。wait()是Object类的方法,调用对象的wait()方法导致当前线程放弃对象的锁(线程暂停执行),进入对象的等待池(wait pool),只有调用对象的notify()方法(或notifyAll()方法)时才能唤醒等待池中的线程进入等锁池(lock pool),如果线程重新获得对象的锁就可以进入就绪状态。
线程的sleep()方法和yield()方法有什么区别?
答:
① sleep()方法给其他线程运行机会时不考虑线程的优先级,因此会给低优先级的线程以运行的机会;yield()方法只会给相同优先级或更高优先级的线程以运行的机会;
② 线程执行sleep()方法后转入阻塞(blocked)状态,而执行yield()方法后转入就绪(ready)状态;
③ sleep()方法声明抛出InterruptedException,而yield()方法没有声明任何异常;
④ sleep()方法比yield()方法(跟操作系统CPU调度相关)具有更好的可移植性。
请说出与线程同步以及线程调度相关的方法。
答:
以上就是多线程的一些基础概念,可能总结的不够仔细,多多包涵。后续会针对一些比较重要的知识点单独列出来总结。学好多线程是拿高薪的基础,小伙伴一起加油吧!
该文为本人学习的笔记,方便以后自己跳槽前复习。参考网上各大帖子,取其精华整合自己的理解而成。还有,关注我个人主页的公众号,里面电子书资源有《Java多线程编程核心技术》以及《JAVA并发编程实践》高清版,需要的小伙伴自己取。
《Java多线程编程核心技术》
《JAVA并发编程实践》
Java并发编程:Thread类的使用
关于Java并发编程的总结和思考
JAVA多线程实现的三种方式个人整理的多线程基础的思维导图,导出的图片无法查看备注的一些信息,所以需要源文件的童鞋可以关注我个人主页上的公众号,回复 多线程基础 即可获取源文件。
一直觉得自己写的不是技术,而是情怀,一篇篇文章是自己这一路走来的痕迹。靠专业技能的成功是最具可复制性的,希望我的这条路能让你少走弯路,希望我能帮你抹去知识的蒙尘,希望我能帮你理清知识的脉络,希望未来技术之巅上有你也有我。