Java技术栈——Java多线程详述

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一.多线程1.1多线程概述1.2 程序运行原理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1.6.1 Runnable的优点
1.7 线程的匿名内部类使用
二、线程池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。
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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。
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    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

voidstart()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voidrun()该线程具体要执行的操作static voidsleep(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。
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    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。
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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;
}
}

原创:https://www.panoramacn.com
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