多线程技术

一、认识多任务、多进程、单线程、多线程

要认识多线程就要从操作系统的原理说起。

 

以前古老的DOS操作系统（V 6.22）是单任务的，还没有线程的概念，系统在每次只能做一件事情。比如你在copy东西的时候不能rename文件名。为了提高系统的利用效率，采用批处理来批量执行任务。

 

现在的操作系统都是多任务操作系统，每个运行的任务就是操作系统所做的一件事情，比如你在听歌的同时还在用MSN和好友聊天。听歌和聊天就是两个任务，这个两个任务是“同时”进行的。一个任务一般对应一个进程，也可能包含好几个进程。比如运行的MSN就对应一个MSN的进程，如果你用的是windows系统，你就可以在任务管理器中看到操作系统正在运行的进程信息。

 

一般来说，当运行一个应用程序的时候，就启动了一个进程，当然有些会启动多个进程。启动进程的时候，操作系统会为进程分配资源，其中最主要的资源是内存空间，因为程序是在内存中运行的。在进程中，有些程序流程块是可以乱序执行的，并且这个代码块可以同时被多次执行。实际上，这样的代码块就是线程体。线程是进程中乱序执行的代码流程。当多个线程同时运行的时候，这样的执行模式成为并发执行。

 

多线程的目的是为了最大限度的利用CPU资源。

 

Java编写程序都运行在在Java虚拟机（JVM）中，在JVM的内部，程序的多任务是通过线程来实现的。每用java命令启动一个java应用程序，就会启动一个JVM进程。在同一个JVM进程中，有且只有一个进程，就是它自己。在这个JVM环境中，所有程序代码的运行都是以线程来运行。

 

一般常见的Java应用程序都是单线程的。比如，用java命令运行一个最简单的HelloWorld的Java应用程序时，就启动了一个JVM进程，JVM找到程序程序的入口点main()，然后运行main()方法，这样就产生了一个线程，这个线程称之为主线程。当main方法结束后，主线程运行完成。JVM进程也随即退出 。

 

对于一个进程中的多个线程来说，多个线程共享进程的内存块，当有新的线程产生的时候，操作系统不分配新的内存，而是让新线程共享原有的进程块的内存。因此，线程间的通信很容易，速度也很快。不同的进程因为处于不同的内存块，因此进程之间的通信相对困难。

 

实际上，操作的系统的多进程实现了多任务并发执行，程序的多线程实现了进程的并发执行。多任务、多进程、多线程的前提都是要求操作系统提供多任务、多进程、多线程的支持。

 

在Java程序中，JVM负责线程的调度。线程调度是值按照特定的机制为多个线程分配CPU的使用权。

调度的模式有两种：分时调度和抢占式调度。分时调度是所有线程轮流获得CPU使用权，并平均分配每个线程占用CPU的时间；抢占式调度是根据线程的优先级别来获取CPU的使用权。JVM的线程调度模式采用了抢占式模式。

 

所谓的“并发执行”、“同时”其实都不是真正意义上的“同时”。众所周知，CPU都有个时钟频率，表示每秒中能执行cpu指令的次数。在每个时钟周期内，CPU实际上只能去执行一条（也有可能多条）指令。操作系统将进程线程进行管理，轮流（没有固定的顺序）分配每个进程很短的一段是时间（不一定是均分），然后在每个线程内部，程序代码自己处理该进程内部线程的时间分配，多个线程之间相互的切换去执行，这个切换时间也是非常短的。因此多任务、多进程、多线程都是操作系统给人的一种宏观感受，从微观角度看，程序的运行是异步执行的。

 

用一句话做总结：虽然操作系统是多线程的，但CPU每一时刻只能做一件事，和人的大脑是一样的，呵呵。

 

 

二、Java与多线程

 

Java语言的多线程需要操作系统的支持。

 

Java 虚拟机允许应用程序并发地运行多个执行线程。Java语言提供了多线程编程的扩展点，并给出了功能强大的线程控制API。

 

在Java中，多线程的实现有两种方式：

扩展java.lang.Thread类

实现java.lang.Runnable接口

 

 

每个线程都有一个优先级，高优先级线程的执行优先于低优先级线程。每个线程都可以或不可以标记为一个守护程序。当某个线程中运行的代码创建一个新 Thread 对象时，该新线程的初始优先级被设定为创建线程的优先级，并且当且仅当创建线程是守护线程时，新线程才是守护程序。

 

当 Java 虚拟机启动时，通常都会有单个非守护线程（它通常会调用某个指定类的 main 方法）。Java 虚拟机会继续执行线程，直到下列任一情况出现时为止：

 

调用了 Runtime 类的 exit 方法，并且安全管理器允许退出操作发生。

非守护线程的所有线程都已停止运行，无论是通过从对 run 方法的调用中返回，还是通过抛出一个传播到 run 方法之外的异常

三、扩展java.lang.Thread类

public class TestMiTiThread {
    public static void main(String[] rags) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 线程运行开始!");
        new MitiSay("A").start();
        new MitiSay("B").start();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 线程运行结束!");
    }
}
 
class MitiSay extends Thread {
    public MitiSay(String threadName) {
        super(threadName);
    }
 
    public void run() {
        System.out.println(getName() + " 线程运行开始!");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(i + " " + getName());
            try {
                sleep((int) Math.random() * 10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(getName() + " 线程运行结束!");
    }
}

 

说明：

程序启动运行main时候，java虚拟机启动一个进程，主线程main在main()调用时候被创建。随着调用MitiSay的两个对象的start方法，另外两个线程也启动了，这样，整个应用就在多线程下运行。

 

在一个方法中调用Thread.currentThread().getName()方法，可以获取当前线程的名字。在main方法中调用该方法，获取的是主线程的名字。

 

注意：start()方法的调用后并不是立即执行多线程代码，而是使得该线程变为可运行态（Runnable），什么时候运行是由操作系统决定的。

从程序运行的结果可以发现，多线程程序是乱序执行。因此，只有乱序执行的代码才有必要设计为多线程。

Thread.sleep()方法调用目的是不让当前线程独自霸占该进程所获取的CPU资源，以留出一定时间给其他线程执行的机会。

实际上所有的多线程代码执行顺序都是不确定的，每次执行的结果都是随机的。

四、实现java.lang.Runnable接口

/**
 * 通过实现 Runnable 接口实现多线程
 */
public class TestMitiThread1 implements Runnable {
 
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 线程运行开始!");
        TestMitiThread1 test = new TestMitiThread1();
        Thread thread1 = new Thread(test);
        Thread thread2 = new Thread(test);
        thread1.start();
        thread2.start();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 线程运行结束!");
    }
 
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 线程运行开始!");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(i + " " + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep((int) Math.random() * 10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 线程运行结束!");
    }
}

 

说明：

TestMitiThread1类通过实现Runnable接口，使得该类有了多线程类的特征。run（）方法是多线程程序的一个约定。所有的多线程代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。

在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象，然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。

实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是扩展Thread类还是实现Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的，熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。

五、读解Thread类API

 

static int MAX_PRIORITY

          线程可以具有的最高优先级。

static int MIN_PRIORITY

          线程可以具有的最低优先级。

static int NORM_PRIORITY

          分配给线程的默认优先级。

 

构造方法摘要

Thread(Runnable target)

          分配新的 Thread 对象。

Thread(String name)

          分配新的 Thread 对象。

六、线程的状态转换图

1、新建状态（New）：新创建了一个线程对象。

2、就绪状态（Runnable）：线程对象创建后，其他线程调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，变得可运行，等待获取CPU的使用权。

3、运行状态（Running）：就绪状态的线程获取了CPU，执行程序代码。

4、阻塞状态（Blocked）：阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：

（一）、等待阻塞：运行的线程执行wait()方法，JVM会把该线程放入等待池中。

（二）、同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池中。

（三）、其他阻塞：运行的线程执行sleep()或join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。

5、死亡状态（Dead）：线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。