Java 多线程编程学习笔记（7月16号）

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作者：黄钰朝
邮箱：[email protected]
日期：2019年7月16日

前言

今天的学习内容是多线程编程的基础知识，包括对线程和进程，并发和并行，多线程和多进程的基本理解，创建线程的三种方式的原理和区别，线程的生命周期，线程的属性：守护线程，线程优先级，线程的三个方法：sleep,yield,join，线程池的使用。

一.什么是线程？

1.1 进程和线程

线程是建立在进程的基础上的，因此要了解线程首先需要知道进程。

进程是指一个运行中的程序，是程序运行的实例，是正在执行的一串指令，也就是说，程序并不是直接被运行的，程序只是一些指令，数据的集合，真正在运行的时候，是被操作系统加载进入内存，以进程的形式在计算机中被CPU执行，一个程序通常会产生多个进程，可以由多个用户同时使用。每个进程都需要占用一定的系统资源，比如CPU资源，内存资源等等，操作系统会给每一个进程分配一定的内存空间，并且分配一个进程id（PID），每个进程独自占有这些资源，不能共享。因此进程是资源分配的基本单位。

线程是属于进程的，线程是一串正在被执行的指令，一个程序的进程往往要同时完成不同的任务，而进程就是这些一个个的任务，不同的线程共享父进程的资源，但是为了不相互干扰，每个线程也有自己私有的资源，比如独立的堆栈，程序计数器和局部变量，一个进程至少拥有一个线程（一个程序启动当然需要执行一定的指令），通常被系统启动的线程称为主线程，一个线程可以被启动，挂起，停止等等操作，因此线程是运行和调度的基本单位。

1.2 并发和并行

• 一个CPU在同一时间只能执行一个线程，因此，只有一个CPU核心时，只能是把时间“分片”，轮流执行不同的线程，从而达到同时进行的效果，实际在时间上是”不同步“的，这就是"并发"

• 并行是多个处理器同时执行多条线程，也就是把多个线程分配给不同的处理器同时执行，在时间上是真正“同时”的

多线程和多进程都可以实现并发，但是进程拥有自己的独立资源，有独立的内存空间，多个进程间不能共享数据。

而线程虽然也有自己独立的堆栈，程序计数器和局部变量，但是多个线程共享父进程的共享变量和部分环境，因此使用多线程进行并发编程更加方便，但是也因为存在共享的资源，尤其是数据，并发时因为实际上多个线程在时间上是不同步的，因此也更容易出现问题，这就是线程安全问题。

1.3 上下文切换（Context Switch）

上下文切换也就是环境切换。包括进程的上下文切换和线程的上下文切换。

CPU从一个线程切换到另外一个线程执行，需要先保存当前的线程的状态和数据，然后载入另外一个进程的状态和数据进行执行，这个过程就是上下文切换，需要消耗一定的系统资源，这便是多线程带来的额外开销。

二.创建线程的三种方式

2.1 概述

线程在Java中的抽线是Thread类，启动线程其实只需要调用Thread类对象的start方法。如下：

  Thread thread = new Thread();
  thread.start();

上面的代码已经启动了一个线程，但是因为没有给这个线程添加执行体代码，因此这个线程一开始执行就结束了。其实我打开看了一下源码，start方法其实只是做了一些检查和准备工作，而且是被当前线程执行的，新启动的线程实际执行的是Thread对象的run方法。而里面的run方法是这样的：

/**
     * If this thread was constructed using a separate
     * Runnable run object, then that
     * Runnable object's run method is called;
     * otherwise, this method does nothing and returns.
     * 

     * Subclasses of Thread should override this method.
     *
     * @see     #start()
     * @see     #stop()
     * @see     #Thread(ThreadGroup, Runnable, String)
     */   
public void run() {
        if (target != null) {
            target.run();
        }
}

从注释和源代码可以看出来，如果我们像上面那样启动线程，那么它会先看看target是否存在，如果存在，那么执行target的run方法，如果为null，那么啥也不做。而且，注释提示，子类应该重写run方法。看一下target变量：

private Runnable target;
可以看到target其实是一个实现了Runnable接口的类的对象(并且其实这个target是通过Thread的有参构造方法传进来的)

因此，为线程添加执行体代码有两种基础的方式：

• 实现Runnable接口
• 继承Thread类

后面为了能够接收线程执行的返回值，并且能够声明抛出异常，所以又多弄了个FutureTask和Callable接口来添加执行体代码。

2.2 继承Thread类

这个感觉不用说了，把你想执行的代码写到重写的run方法中，然后用这个子类的对象来启动线程就行了

//继承Thread类
public class MyThread extend Thread{
     @Override
     public void run(){
          do something...
     }
}

然后：

MyThread myThread = new Thread();
myThread.start();

2.3 实现Runnable接口

知道了上面的原理之后，贼简单：

//实现Runnable接口
public class MyRunnableClass implements Runnable{
     public void run(){
          do something...
     }
}

然后：

//把Runnable对象传进去 
Thread thread = new Thread(new MyRunnableClass());
thread.start();

完事了。

2.4 实现Callable接口

Callable接口其实也是从Runnable接口发展来的，底层还是Runnable接口，因为Callable接口中的call方法是被FutureTask的run方法调的，而FutureTask其实RunnableFuture的实现类，而RunnableFuture又是继承自Runnable接口的。

说白了，FutureTask的对象其实也就是target对象，只是它在run方法中调用了Callable接口实现类的对象中的call方法，所以最终执行的是call方法，但是为什么要加一个FutureTask对象做中介？目的就是在中介FutureTask的run方法中实现接收返回值，接收call方法抛出的异常等等扩展的功能，也就是说，Callable通过FutureTask的辅助，实现了Runnable接口的增强。

也正因为有了一层中介，Callable的对象要使用FutureTask再包装一层再传给Thread对象。

因为时间有限，我就不自己写示例代码了，直接摘了菜鸟教程的一段代码，需要注意的是，call方法重写时的返回值类型，需要通过泛型传递给FutureTask对象，比如这段代码中的Integer类型返回值。

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;  
    }  
}

2.5 三种方法的比较

• 直接继承Thread类的方式编写时最简单，但是因为是继承方式，不可再继承其他类。
• 实现Runnable接口或者Callable接口的方式相对复杂，但是还可以继承其他类。

三.线程的生命周期

3.1 概述

线程并不是一创建就开始执行，也不是一直在执行。线程在生命周期的不同时期具有不同状态。

3.2 新建

新建状态就是刚刚创建（刚刚被new出来），还没有被执行，也还没有”等待执行“。

3.3 就绪

线程创建之后，调用start方法，就进入”等待执行“的状态了，就是”就绪“，也就是可以执行了，但是还不是开始执行。什么时候才开始，取决于JVM线程调度器的调度，相当于开始"排队"等待被执行了。

3.4 运行

也就是线程中的代码被执行的过程，但是这个状态不是一直保持，会有中断。

3.5 阻塞

阻塞也就是运行状态中断了，停止执行，并且释放出所占有的资源，进入的等待状态，其实不会被执行，也不是“等待执行”，它需要再次进入就绪状态，才能被接着执行。

线程可以主动进入阻塞状态，比如调用sleep方法，也可以被动进入，比如由于阻塞式I/O的方法没有返回，该线程被阻塞。

3.6 死亡

顾名思义，就是线程结束了。包括：

• 执行体代码执行完成，正常结束
• 抛出异常，异常结束
• 调用stop方法停止运行

死亡的线程无法再次启动。

四.线程的属性

4.1 概述

线程拥有一些属性，包括：守护线程，线程优先级，线程组和处理未捕获异常的处理器。用来指示JVM如何对待这个线程。

4.2 守护线程（daemon属性）

守护线程其实就是后台线程，也叫“精灵线程”，把一个线程设置为守护线程是为了让该线程为其他线程服务，并且不要阻碍JVM的关闭。

普通线程在停止前JVM不会自动关闭，而普通线程全部死亡时，JVM就会自动关闭，而不会理会是否还有守护线程在运行。

具体的设置方法为：setDaemon(boolean isDaemon);

注意：这个方法必须在start方法之前调用，否则会报错IllegalThreadStateException

4.3 线程优先级（priority属性）

线程优先级越高，被执行的机会越多。

线程优先级的范围是1·10，Thread类中有三个静态常量：

• MAX_PRIORITY = 10
• MIN_PRIORITY =1
• NORM_PRIORITY = 5

PS：后面两个属性太啰嗦了，不想写了，用的时候再说

五.线程的方法

5.1 概述

Thread类提供了一些方法来方便我们对类进行控制。

5.2 sleep方法

让类停止运行一段时间（进入阻塞状态），参数为停止的毫秒数

5.3 yield方法

这个方法是用来线程让步，不会阻塞该线程，会进入就绪状态让JVM线程调度器重新调度，也就是让优先级高的线程执行，如果该线程刚好就是优先级最高的，那么继续执行。

5.4 join方法

让当前线程等待被调用了jion方法的线程执行完毕，再继续执行。

六.使用线程池

关于线程池的知识，这篇博客：深入理解 Java 线程池：ThreadPoolExecutor 讲得很明白了，我还是等做了项目实践之后，再来写心得吧，这一块暂且留空。

七.总结

之前训练营和考核时期，没有系统地学过多线程编程，基本都是遇到问题再去查，现查现用，今天比较完整地学习了多线程的基础知识，还专门去看了源码一探究竟，感觉对线程的理解比以前更加深刻了，但是多线程的知识远远不止这些，接下来的打算是明天学习线程安全和同步机制的知识，后天去学更深入的同步器和一些Java并发集合类，多线程的实践任务已经发下来了，主要还是要多在项目中实践。

小结今日收获：

• 进程是资源分配的基本单位，线程是执行和调度的基本单位
• 并发是轮流执行，并行是真正的同步执行
• 多线程和多进程都可以实现并发，但是多线程更容易编程，线程切换开销小，弊端是存在线程安全问题
• 启动线程的实质都是执行run方法中的执行体
• 线程的生命周期包括：创建，就绪，运行，阻塞，死亡
• JVM的关闭不会理会守护线程的状态
• 三个线程方法：sleep,yield,join

参考资料

• 《疯狂Java讲义》
• 《Java多线程编程核心技术》
• 《Java核心技术卷1》
• 对Java中interrupt、interrupted和isInterrupted的理解
• 并发编程网-多线程教程
• 菜鸟教程-Java多线程编程
• 深入理解 Java 线程池：ThreadPoolExecutor
• 如何优雅地理解和使用线程池
• Java并发编程：线程池的使用