Java技术栈——Java多线程详述
Java技术栈——Java多线程详述
- 一.多线程
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- 1.1多线程概述
- 1.2 程序运行原理
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- 1.2.1 抢占式调度详解
- 1.3 主线程
- 1.4 Thread类
- 1.5 创建线程
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- 1.5.1 run()与start()
- 1.5.2 继承Thread类原理
- 1.5.3 多线程的内存图解
- 1.5.4 获取线程名称
- 1.6 创建线程方式—实现Runnable接口
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- 1.6.1 Runnable的优点
- 1.7 线程的匿名内部类使用
- 二、线程池
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- 2.1 线程池概念
- 2.2 使用线程池方式--Runnable接口
- 2.3 使用线程池方式—Callable接口
一.多线程
1.1多线程概述
在了解学习多线程之前，我们先要熟悉了解几个关于多线程有关的概念。
进程：进程指正在运行的程序。确切的来说，当一个程序进入内存运行，即变成一个进程，进程是处于运行过程中的程序，并且具有一定独立功能。
线程：线程是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的，这个应用程序也可以称之为多线程程序。
简而言之：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程。什么是多线程呢？ 多线程定义:在一个程序中,这些独立运行的程序片段叫作“线程”。即就是一个程序中有多个线程在同时执行。
我们可以通过程序执行流程，来区分单线程程序与多线程程序的不同：
单线程程序：即，若有多个任务只能依次执行。当上一个任务执行结束后，下一个任务开始执行。如接水，有一个水龙头，一个人接完，下一个人才能开始接水。
多线程程序：即，若有多个任务可以同时执行。如在饮水机处接水，温水处与热水处可以同时放水。
1.2 程序运行原理
分时调度：所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间。分时调度可以在分时调度类中公平地分布处理资源。内核的其他部分可以在短时间内独占处理器，而不会缩短用户察觉的响应时间。在Java中可以设置一个或多个进程的优先级级别，优先级的级别范围通常为 0 到 +10（不指定的话，java默认创建为5），值越低，优先级越高。
抢占式调度：这里有必要说明一下，抢占式调度是实时调度的一种。优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。
1.2.1 抢占式调度详解
现在大部分电脑操作系统都支持多进程并发运行，即支持多个软件同时运行，比如打开了微信，并且同时听着某易音乐，然后在CSDN上编写分享博客，“感觉上，这些运用在同时进行。”实际上，CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换（针对于某一个核来说），我们根本就没有察觉到，对于CPU的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快，看上去就是在同一时刻运行。所以，仔细想想就会发现，多线程程序并不能提高程序的运行速度，但能够提高程序运行效率，让CPU的使用率更高。
1.3 主线程
再来看看我们最开始之前，学习常用的场景，当我们在dos命令行中输入java空格类名回车后，启动JVM，并且加载对应的class文件。虚拟机并会从main方法开始执行我们的程序代码，一直把main方法的代码执行完成。如果在执行过程遇到循环时间比较长的代码，那么在循环之后的其他代码是不会被马上执行的。如下代码演示：
class Demo{
String name;
Demo(String name){
this.name = name;
}
void show() {
for (int i=1;i<=10000 ;i++ ) {
System.out.println("name="+name+",i="+i);
}
}
}
class ThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
Demo demo = new Demo("CSDN");
Demo demo2 = new Demo("NDSC");
demo.show();
demo2.show();
}
}
若在上述代码中show方法中的循环执行次数很多，这时在demo.show();下面的代码是不会马上执行的，并且在dos窗口会看到不停的输出name=CSDN,i=++，这样的语句。是因为：jvm启动后，必然有一个执行路径(线程)从main方法开始的，一直执行到main方法结束，这个线程在java中称之为主线程。当程序的主线程执行时，如果遇到了循环而导致程序在指定位置停留时间过长，则无法马上执行下面的程序，需要等待循环结束后能够执行。
那么，能否实现一个主线程负责执行其中一个循环，再由另一个线程负责其他代码的执行，最终实现多部分代码同时执行的效果？当然可以，Java中的多线程技术能够实现同时执行。
1.4 Thread类
该如何创建线程呢？通过API中搜索，查到Thread类。通过阅读Thread类中的描述，我们能够了解到Thread是程序中的执行线程，并且Java 虚拟机是支持并允许应用程序并发地运行多个执行线程。
构造方法
| Thread（）构造方法摘要 | 描述 |
|---|---|
| Thread() | 分配线程对象 |
| Thread(String name) | 分配新的线程对象，将指定的name作为其线程名称 |
常用方法
| 类型 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| void | start() | 使该线程开始执行；Java虚拟机实际上调用的是该线程的run()方法 |
| void | run() | 该线程具体要执行的操作 |
| static void | sleep(long m) | 让当前正在执行的线程休眠毫秒，（暂停执行） |
1.5 创建线程
创建新执行线程有两种方法。
继承Thread：将类声明为 Thread 的子类。该子类应重写 Thread 类的 run 方法。创建对象，开启线程。run方法相当于其他线程的main方法。
继承Thread创建线程的步骤：
1 定义一个类继承Thread。
2 重写run方法。
3 创建子类对象，就是创建线程对象。
4 调用start方法，开启线程并让线程执行，此时jvm会去调用run方法。
实现Runnable：声明一个实现 Runnable 接口的类，该类会实现 run 方法，然后创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。
main
//测试类
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
ThreadDemo td = new ThreadDemo("线程Demo！");
//开启新线程
td.start();
//在主方法中执行for循环
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("main线程！"+i);
}
}
}
新建线程类
//新建线程类
public class ThreadDemo extends ThreadDemo {
public ThreadDemo (String name) {
//调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
super(name);
}
//重写run方法
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
}
}
}
1.5.1 run()与start()
注意：线程对象调用 run方法和调用start方法区别？
在理解这个问题之前，我们应该清楚什么是run()方法，什么是start()方法；
run()：就是继承Thread类，或者实现runnable要实现的方法，本质上是一个成员函数，但并不是多线程的方式，就是一个普通的方法。我们从源码就能看出就是简单的普通方法的调用。
run()源码
@Override
public void run() {
// 简单的运行，不会新起线程，target 是 Runnable
if (target != null) {
target.run();
}
}
start()：要理解start方法，我们最好从源码入手，start 方法的源码也没几行代码，注释也比较详细，最主要的是 start0() 方法。
start()源码
public synchronized void start() {
/**
* This method is not invoked for the main method thread or "system"
* group threads created/set up by the VM. Any new functionality added
* to this method in the future may have to also be added to the VM.
*
* A zero status value corresponds to state "NEW".
*/
// 没有初始化，抛出异常
if (threadStatus != 0)
throw new IllegalThreadStateException();
/* Notify the group that this thread is about to be started
* so that it can be added to the group's list of threads
* and the group's unstarted count can be decremented. */
group.add(this);
// 是否启动的标识符
boolean started = false;
try {
// start0() 是启动多线程的关键
// 这里会创建一个新的线程，是一个 native 方法
// 执行完成之后，新的线程已经在运行了
start0();
// 主线程执行
started = true;
} finally {
try {
if (!started) {
group.threadStartFailed(this);
}
} catch (Throwable ignore) {
/* do nothing. If start0 threw a Throwable then
it will be passed up the call stack */
}
}
}
start0()源码
private native void start0();
start0()的源码只有一行，为了方便理解start执行过程以及日后的学习，总结了start0的每一步调用执行过程。
- Step1:：start0方法实际上调用的是jvm.cpp文件的JVM_StartThread方法，（是否创建线程，以及能否创建线程，比如内存已满，无法继续创建新的线程，都是在这一步进行判断的）；
- Step2：如果能创建，则调用JavaThread方法创建线程（包括初始化相关变量），就在创建线程的时候，传入了java_start,做为线程运行函数的初始地址；
- Step3：当子线程完成初始化之后，父线程会执行Thread::start方法，设置线程状态为RUNNABLE；
- Step4：这时候子线程就可以开始执行thread->run()方法了。
补充：start0为什么会被标记成native本地方法。众所周知，Java其最大的优点之一就是跨平台性，start() 方法调用 start0() 方法后，该线程并不一定会立马执行，只是将线程变成了可运行状态（NEW —> RUNNABLE）。具体什么时候执行，取决于 CPU ，由 CPU 统一调度。可以在不同系统上运行，每个系统的 CPU 调度算法不一样，所以就需要做不同的处理，这件事情就只能交给 JVM 来实现了，start0() 方法自然就表标记成了 native。
所以综上，线程对象调用run方法不开启线程，仅是对象调用方法。线程对象调用start开启线程，并让jvm调用run方法在开启的线程中执行。
1.5.2 继承Thread类原理
我们为什么要继承Thread类，并调用其的start方法才能开启线程呢？继承Thread类：因为Thread类用来描述线程，具备线程应该有的功能。那为什么不直接创建Thread类的对象呢？如下代码：
Thread t1 = new Thread();
//这样做没有错，但是该start调用的是Thread类中的run方法
//这个run方法没有做什么事情，更重要的是这个run方法中并没有定义我们需要让线程执行的代码。
t1.start();
创建线程是为了建立程序单独的执行路径，让多部分代码实现同时执行。也就是说线程创建并执行需要给定线程要执行的任务。对于之前所讲的主线程，它的任务定义在main函数中。自定义线程需要执行的任务都定义在run方法中。Thread类run方法中的任务并不是我们所需要的，只有重写这个run方法。既然Thread类已经定义了线程任务的编写位置（run方法），那么只要在编写位置（run方法）中定义任务代码即可。所以进行了重写run方法动作。
1.5.3 多线程的内存图解
多线程执行时，在内存中的运行方式其实很简单：多线程执行时，在栈内存中，其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间。进行方法的压栈和弹栈。当执行线程的任务结束了，线程自动在栈内存中释放了。但是当所有的执行线程都结束了，那么进程就结束了。
1.5.4 获取线程名称
开启的线程都会有自己的独立运行栈内存，而这些线程都是有其默认的名字的，当然也可以自定义线程名。根据Thread类的API文档整理如下。
| 函数名 | 功能 |
|---|---|
| Thread.currentThread() | 获取当前线程对象 |
| Thread.currentThread().getName() | 获取当前线程对象的名称 |
class MyThread extends Thread {
MyThread(String name){
super(name);
}
//复写其中的run方法
public void run(){
for (int i=1;i<=100 ;i++ ){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",i="+i);
}
}
}
class ThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建两个线程任务
MyThread d = new MyThread();
MyThread d2 = new MyThread();
//没有开启新线程, 在主线程调用run方法
d.run();
//开启一个新线程，新线程调用run方法
d2.start();
}
}
通过结果观察，原来主线程的名称：main；自定义的线程：Thread-0，线程多个时，数字顺延。如Thread-1…注意：进行多线程编程时，不要忘记了Java程序运行是从主线程开始，main方法就是主线程的线程执行内容。
1.6 创建线程方式—实现Runnable接口
创建线程的另一种方法是声明实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。查看Runnable接口说明文档：Runnable接口用来指定每个线程要执行的任务。包含了一个 run 的无参数抽象方法，需要由接口实现类重写该方法。
实现Runnable接口，创建线程的步骤：
- 1、定义类实现Runnable接口。
- 2、覆盖接口中的run方法。。
- 3、创建Thread类的对象
- 4、将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数。
- 5、调用Thread类的start方法开启线程。
示例
public class RunnableDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建线程执行目标类对象
Runnable runnable = new MyRunnable();
//将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数
Thread thread = new Thread(runn);
Thread thread2 = new Thread(runn);
//开启线程
thread.start();
thread2.start();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("main线程：正在执行！"+i);
}
}
}
线程执行类示例
public class MyRunnable implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("线程！"+i);
}
}
}
1.6.1 Runnable的优点
第二种方式实现Runnable接口避免了单继承的局限性，所以较为常用。实现Runnable接口的方式，更加的符合面向对象，线程分为两部分，一部分线程对象，一部分线程任务。继承Thread类，线程对象和线程任务耦合在一起。一旦创建Thread类的子类对象，既是线程对象，有又有线程任务。实现runnable接口，将线程任务单独分离出来封装成对象，类型就是Runnable接口类型。Runnable接口对线程对象和线程任务进行解耦。
1.7 线程的匿名内部类使用
使用线程的内匿名内部类方式，可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。
- 方式1：创建线程对象时，直接重写Thread类中的run方法
new Thread() {
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ">>>>" + i);
}
}
}.start();
- 方式2：使用匿名内部类的方式实现Runnable接口，重新Runnable接口中的run方法
Runnable runnable = new Runnable() {
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; 1x++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ">>>>" + i);
}
}
};
new Thread(runnable ).start();
二、线程池
2.1 线程池概念
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。
在java中，如果每个请求到达就创建一个新线程，开销是相当大的。在实际使用中，创建和销毁线程花费的时间和消耗的系统资源都相当大，甚至可能要比在处理实际的用户请求的时间和资源要多的多。除了创建和销毁线程的开销之外，活动的线程也需要消耗系统资源。如果在一个jvm里创建太多的线程，可能会使系统由于过度消耗内存或“切换过度”而导致系统资源不足。为了防止资源不足，需要采取一些办法来限制任何给定时刻处理的请求数目，尽可能减少创建和销毁线程的次数，特别是一些资源耗费比较大的线程的创建和销毁，尽量利用已有对象来进行服务。
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。
2.2 使用线程池方式–Runnable接口
通常，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 ExecutorService newFixedThreadPool(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
使用线程池中线程对象的步骤，代码示例：
public class ThreadPoolDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建线程池，包含10个线程
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
RunnableDemo rd = new RunnableDemo ();
//从线程池中获取线程对象,然后调用RunnableDemo 中的run()
service.submit(rd);
//注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。将使用完的线程又归还到了线程池中
//关闭线程池
//service.shutdown();
}
}
Runnable接口实现类
public class RunnableDemo implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程示例启动");
System.out.println("线程： " +Thread.currentThread().getName());
System.out.println("线程关闭"+Thread.currentThread().getName());
}
}
2.3 使用线程池方式—Callable接口
lCallable接口：与Runnable接口功能相似，用来指定线程的任务。其中的call()方法，用来返回线程任务执行完毕后的结果，call方法可抛出异常。
- Future submit(Callable task)：获取线程池中的某一个线程对象，并执行线程中的call()方法
- Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。
代码示例：
public class ThreadPoolDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建线程池,包含10个线程
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
//创建Callable对象
CallableDemo cd = new CallableDemo ();
service.submit(c);
service.submit(c);
}
}
Callable接口实现类,call方法可抛出异常、返回线程任务执行完毕后的结果
public class CallableDemo implements Callable {
@Override
public Object call() throws Exception {
System.out.println("线程示例:call");
System.out.println("线程： " +Thread.currentThread().getName());
System.out.println("线程结束："+Thread.currentThread().getName());
return null;
}
}