Java面向对象系列[v1.0.0][多线程]

进程和线程

当一个程序运行时，对于操作系统而言它是以进程的形式存在的，如果是用的windows操作系统，打开任务管理器，能够看到进程标签页，在该标签页中能够看到当前正在运行的进程，而每个进程就是一个运行中的程序
当一个程序启动后进入内存运行时，它就成了一个操作系统的进程，对于操作系统而言进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，而一个进程在运行时，内部可能包含多个顺序执行流，每个顺序执行流就是一个线程

进程特征

• 独立性：进程是系统中独立存在的实体，它可以拥有自己独立的资源，每一个进程都拥有自己私有的地址空间，在没有经过进程本身允许的情况下，一个用户进程不可以直接访问其他进程的地址空间
• 动态性：进程不等于程序，程序只是一个静态的指令集合，而进程是一个正在系统中活动的指令集和，在进程中有时间的概念，它具有自己的生命周期和各种不同的状态，而这些是程序所不具备的
• 并发性：多个进程可以在单个处理器上并发执行，多个进程之间不会互相影响

大部分操作系统都支持多进程并发运行（虽然因为硬件和系统不同并发的策略很不一样），现代的操作系统几乎都支持同时运行多个任务，例如我们经常开着浏览器，开着编译器，同时还开这Word等，这些进程看上去像是在同时工作，但实际上对于一个CPU而言，它在某个时刻只能运行一个进程，CPU不断的在各个进程之间轮换执行，因为它太快了，人感知不到其中的切换，看上去像是在一起执行，假设我们开的程序足够多会发现每个程序都变慢了，也就感知到了它的切换变慢了

并发性concurrency和并行性parallel是两个概念，并行指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行；并发指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速轮换执行，表面上看似是同事执行的效果

线程特征

多线程扩展了进程的概念，使得同一个进程可以同时并发处理多个任务，线程也被称为轻量级进程，实际上它是进程的执行单元，线程在程序中是独立的、并发的执行流，当进程初始化后，同时它的主线程也被创建了，通常情况下对于应用程序来说，仅要求有一个主线程，进程内可以有多个顺序执行流，这些顺序执行流也就是线程，每个线程是互相独立的。

• 线程是进程的组成部分，一个进程可以拥有多个线程，一个线程必须有一个父进程
• 线程可以有自己的堆栈、自己的程序计数器和自己的局部变量，但不拥有系统资源，它与父进程的其他线程共享该进程所拥有的全部资源
• 线程可以独立完成任务，也可以与其他线程共享父进程中的共享变量及部分环境，相互协同来完成进程所要完成的任务
• 线程是独立运行的，它并不知道进程中的其他线程的存在，其执行方式是抢占式的，也就是说当前运行的线程在任何时候都可能被挂起，以便另外一个线程可以运行
• 一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行
• 操作系统无需将多个线程看作多个独立的应用，对多线程实现调度和管理以及资源分配，这些由进程本身负责管理和完成

线程与进程优劣

• 线程在程序中是独立的、并发的执行流，与进程相比线程之间的隔离程度更小，他们共享内存、文件句柄以及每个进程应有的状态
• 线程的划分尺度更小，使得多线程程序的并发性更高，进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程是共享内存的，极大的提高了程序的运行效率
• 线程比进程性能更高，因为同一个进程中的线程有共性，多个线程共享同一个进程的虚拟空间
• 同一个进程里的线程共享资源，更容易实现线程间相互通信
• 创建进程必须为该进程分配独立的内存空间，并分配大量的相关资源，但创建线程简单很多，实现多任务并发效率更高
• Java内置了很多多线程功能的支持，编程更容易，应用更广泛

线程的创建与启动

Java使用Thread类代表线程，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例

继承Thread类创建线程类

• 定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该方法的方法体就代表了线程需要完成的任务，因此把run()方法称为线程执行体
• 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
• 调用线程对象的start()方法来启动该线程

// 通过继承Thread类来创建线程类
public class FirstThread extends Thread
{
	private int i;
	// 重写run方法，run方法的方法体就是线程执行体
	public void run()
	{
		for ( ; i < 100; i++)
		{
			// 当线程类继承Thread类时，直接使用this即可获取当前线程
			// Thread对象的getName()返回当前该线程的名字
			// 因此可以直接调用getName()实例方法返回当前线程的名
			System.out.println(getName() + " " + i);
		}
	}
	public static void main(String[] args)
	{
		for (var i = 0; i < 100; i++)
		{
			// 调用Thread的currentThread类方法获取当前线程对象
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
			if (i == 20)
			{
				// 创建、并启动第一条线程
				new FirstThread().start();
				// 创建、并启动第二条线程
				new FirstThread().start();
			}
		}
	}
}

执行程序的时候，会发现有3个线程，其中两个是代码里创建的，另一个是主线程，程序至少会创建一个主线程，主线程的线程执行体不是由run()方法确定的，而是由main()方法确定的，main()方法的方法体代表主线程的线程执行体
程序可以通过setName(String name)方法为线程设置名字，也可以通过getName()方法返回指定线程的名字，默认情况下主线程名字为main，用户启动的线程名为Thread-0、Thread-1…Thread-N
使用集成Thread类的方法来创建线程类时，多个线程之间无法共享线程类的实例变量

实现Runnable接口创建线程类

• 定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体
• 创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target，实际的线程对象依然是Thread实例，该Thread负责执行其target的run()方法

// 创建Runnable实现类的对象
SecondThread st = new SecondThread();
// 以Runnable实现类的对象作为Thread的target来创建Thread对象，即线程对象
new Thread(st);
//也可以在创建Thread对象时为该Thread对象指定一个名字
new Thread(st, "新线程OO");

• 调用线程对象的start()方法来启动该线程

// 通过实现Runnable接口来创建线程类
public class SecondThread implements Runnable
{
	private int i;
	// run方法同样是线程执行体
	public void run()
	{
		for ( ; i < 100; i++)
		{
			// 当线程类实现Runnable接口时，
			// 如果想获取当前线程，只能用Thread.currentThread()方法。
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
		}
	}

	public static void main(String[] args)
	{
		for (var i = 0; i < 100; i++)
		{
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
			if (i == 20)
			{
				var st = new SecondThread();     // ①
				// 通过new Thread(target, name)方法创建新线程
				new Thread(st, "新线程1").start();
				new Thread(st, "新线程2").start();
			}
		}
	}
}

Runnable接口中只包含一个抽象方法，Java8开始，Runnable接口使用了@FunctionalInterface修饰，也就是说它是个函数式接口，可以使用Lambda表达式创建Runnable对象
执行该代码示例，可以从结果中看出来，两个子线程的i变量是连续的，也就是采用Runnable接口的方式创建的多个线程可以共享线程类的实例变量，这是因为在这种方式下，程序创建的Runnable对象只是线程的target，而多个线程可以共享一个target，所以多个线程可以共享同一个线程类的实例变量

使用Callable和Future创建线程

Java5之后，提供了Callable接口，该接口提供了一个call()方法可以作为线程执行体，但call()方法比run()方法功能更强大

• call()方法可以有返回值
• call()方法可以声明抛出异常

Java5之后还提供了Future接口来代表Callable接口里的call()方法的返回值，并为Future接口提供了一个FutureTask实现类，该实现类实现了Future接口，并实现了Runnable接口，可以作为Thread类的target
Future接口里定义了如下几个公共方法来控制它关联的Callable任务：

• boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning):试图取消该Future里关联的Callable任务

• V get():返回Callable任务里call()方法的返回值，调用该方法将导致程序阻塞，必须等到子线程结束后才会得到返回值

• V get(long timeout, TimeUnit unit):返回Callable任务里call()方法的返回值，该方法让程序最多阻塞timeout和unit指定的时间，如果过了指定时间后Callable任务依然没有返回值，抛出TimeoutException异常

• boolean isCancelled():如果Callable任务完成前被取消，则返回true

• boolean isDone():如果Callable任务已经完成，则返回true
  Callable接口有泛型限制，Callable接口里的泛型形参类型与call()方法返回值类型相同并且Callable接口是函数式接口，可以使用Lambda表达式创建Callable对象

• 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，且该call()方法有返回值，再创建Callable实现类的实例，Java8开始可以直接使用lambda表达式创建Callable对象

• 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

• 使用FutureTask对象作为Thread对象的target创建并启动新线程

• 调用FutureTask对象的get()方法来获取子线程执行结束后的返回值

import java.util.concurrent.*;

public class ThirdThread
{
	public static void main(String[] args)
	{
		// 创建Callable对象
		var rt = new ThirdThread();
		// 先使用Lambda表达式创建Callable对象
		// 使用FutureTask来包装Callable对象
		FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>((Callable<Integer>)() -> {
			var i = 0;
			for ( ; i < 100; i++)
			{
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的循环变量i的值：" + i);
			}
			// call()方法可以有返回值
			return i;
		});
		for (var i = 0; i < 100; i++)
		{
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的循环变量i的值：" + i);
			if (i == 20)
			{
				// 实质还是以Callable对象来创建、并启动线程
				new Thread(task, "有返回值的线程").start();
			}
		}
		try
		{
			// 获取线程返回值
			System.out.println("子线程的返回值：" + task.get());
		}
		catch (Exception ex)
		{
			ex.printStackTrace();
		}
	}
}

程序使用了Lambda表达式直接创建了Callable对象，这样就无需先创建Callable实现类，再创建Callable对象了。

三种方式比较

采用实现Runnable、Callable接口的方式创建多线程的优缺点：

• 线程只是实现了Runnable接口或Callable接口，还可以继承其他类
• 在这种方式下，多个线程可以共享同一个target对象，所以非常适合多个相同线程来处理同一份资源的情况，从而可以将CPU、代码和数据分开，形成清晰的模型，较好的体现了面向对象的思想
• 编程稍微复杂，如果需要访问当前线程，则必须使用Thread.currentThread()方法

采用继承Thread类的方式创建多线程的优缺点：

• 因为线程类已经继承了Thread类，所以不能继承其他父类
• 编写简单，如果需要访问当前线程，直接使用this即可获得当前线程