基于Java回顾之多线程详解

2014-05-08  来源:本站原创  分类:Java  人气:0 

在这篇文章里,我们关注多线程。多线程是一个复杂的话题,包含了很多内容,这篇文章主要关注线程的基本属性、如何创建线程、线程的状态切换以及线程通信,我们把线程同步的话题留到下一篇文章中

线程是操作系统运行的基本单位,它被封装在进程中,一个进程可以包含多个线程。即使我们不手动创造线程,进程也会有一个默认的线程在运行。

对于JVM来说,当我们编写一个单线程的程序去运行时,JVM中也是有至少两个线程在运行,一个是我们创建的程序,一个是垃圾回收。

线程基本信息

我们可以通过Thread.currentThread()方法获取当前线程的一些信息,并对其进行修改。

我们来看以下代码:

查看并修改当前线程的属性
 String name = Thread.currentThread().getName();
         int priority = Thread.currentThread().getPriority();
         String groupName = Thread.currentThread().getThreadGroup().getName();
         boolean isDaemon = Thread.currentThread().isDaemon();
         System.out.println("Thread Name:" + name);
         System.out.println("Priority:" + priority);
         System.out.println("Group Name:" + groupName);
         System.out.println("IsDaemon:" + isDaemon);

         Thread.currentThread().setName("Test");
         Thread.currentThread().setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
         name = Thread.currentThread().getName();
         priority = Thread.currentThread().getPriority();
         groupName = Thread.currentThread().getThreadGroup().getName();
         isDaemon = Thread.currentThread().isDaemon();
         System.out.println("Thread Name:" + name);
         System.out.println("Priority:" + priority);

其中列出的属性说明如下:

GroupName,每个线程都会默认在一个线程组里,我们也可以显式的创建线程组,一个线程组中也可以包含子线程组,这样线程和线程组,就构成了一个树状结构。

Name,每个线程都会有一个名字,如果不显式指定,那么名字的规则是“Thread-xxx”。

Priority,每个线程都会有自己的优先级,JVM对优先级的处理方式是“抢占式”的。当JVM发现优先级高的线程时,马上运行该线程;对于多个优先级相等的线程,JVM对其进行轮询处理。Java的线程优先级从1到10,默认是5,Thread类定义了2个常量:MIN_PRIORITY和MAX_PRIORITY来表示最高和最低优先级。

我们可以看下面的代码,它定义了两个不同优先级的线程:

复制代码 代码如下:

线程优先级示例
 public static void priorityTest()
 {
     Thread thread1 = new Thread("low")
     {
         public void run()
         {
             for (int i = 0; i < 5; i++)
             {
                 System.out.println("Thread 1 is running.");
             }
         }
     };

     Thread thread2 = new Thread("high")
     {
         public void run()
         {
             for (int i = 0; i < 5; i++)
             {
                 System.out.println("Thread 2 is running.");
             }
         }
     };

     thread1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
     thread2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
     thread1.start();
     thread2.start();
 }

从运行结果可以看出,是高优先级线程运行完成后,低优先级线程才运行。
isDaemon,这个属性用来控制父子线程的关系,如果设置为true,当父线程结束后,其下所有子线程也结束,反之,子线程的生命周期不受父线程影响。
我们来看下面的例子:

复制代码 代码如下:

IsDaemon 示例
 public static void daemonTest()
 {
     Thread thread1 = new Thread("daemon")
     {
         public void run()
         {
             Thread subThread = new Thread("sub")
             {
                 public void run()
                 {
                     for(int i = 0; i < 100; i++)
                     {
                         System.out.println("Sub Thread Running " + i);
                     }
                 }
             };
             subThread.setDaemon(true);
             subThread.start();
             System.out.println("Main Thread end.");
         }
     };

     thread1.start();
 }

上面代码的运行结果,在和删除subThread.setDaemon(true);后对比,可以发现后者运行过程中子线程会完成执行后再结束,而前者中,子线程很快就结束了。

如何创建线程

上面的内容,都是演示默认线程中的一些信息,那么应该如何创建线程呢?在Java中,我们有3种方式可以用来创建线程。

Java中的线程要么继承Thread类,要么实现Runnable接口,我们一一道来。

使用内部类来创建线程

我们可以使用内部类的方式来创建线程,过程是声明一个Thread类型的变量,并重写run方法。示例代码如下:

复制代码 代码如下:

使用内部类创建线程
 public static void createThreadByNestClass()
 {
     Thread thread = new Thread()
     {
         public void run()
         {
             for (int i =0; i < 5; i++)
             {
                 System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is running.");
             }
             System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is finished.");
         }
     };
     thread.start();
 }

继承Thread以创建线程

我们可以从Thread中派生一个类,重写其run方法,这种方式和上面相似。示例代码如下:

复制代码 代码如下:

派生Thread类以创建线程
 class MyThread extends Thread
 {
     public void run()
     {
         for (int i =0; i < 5; i++)
         {
             System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is running.");
         }
         System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is finished.");
     }
 }

 public static void createThreadBySubClass()
 {
     MyThread thread = new MyThread();
     thread.start();
 }

实现Runnable接口以创建线程

我们可以定义一个类,使其实现Runnable接口,然后将该类的实例作为构建Thread变量构造函数的参数。示例代码如下:

复制代码 代码如下:

实现Runnable接口以创建线程
 class MyRunnable implements Runnable
 {
     public void run()
     {
         for (int i =0; i < 5; i++)
         {
             System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is running.");
         }
         System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is finished.");
     }
 }

 public static void createThreadByRunnable()
 {
     MyRunnable runnable = new MyRunnable();
     Thread thread = new Thread(runnable);
     thread.start();
 }

上述3种方式都可以创建线程,而且从示例代码上看,线程执行的功能是一样的,那么这三种创建方式有什么不同呢?

这涉及到Java中多线程的运行模式,对于Java来说,多线程在运行时,有“多对象多线程”和“单对象多线程”的区别:

多对象多线程,程序在运行过程中创建多个线程对象,每个对象上运行一个线程。
单对象多线程,程序在运行过程中创建一个线程对象,在其上运行多个线程。

显然,从线程同步和调度的角度来看,多对象多线程要简单一些。上述3种线程创建方式,前两种都属于“多对象多线程”,第三种既可以使用“多对象多线程”,也可以使用“单对象单线程”。

我们来看下面的示例代码,里面会用到Object.notify方法,这个方法会唤醒对象上的一个线程;而Object.notifyAll方法,则会唤醒对象上的所有线程。

复制代码 代码如下:

notify示例
 public class NotifySample {

     public static void main(String[] args) throws InterruptedException
     {
         notifyTest();
         notifyTest2();
         notifyTest3();
     }

     private static void notifyTest() throws InterruptedException
     {
         MyThread[] arrThreads = new MyThread[3];
         for (int i = 0; i < arrThreads.length; i++)
         {
             arrThreads[i] = new MyThread();
             arrThreads[i].id = i;
             arrThreads[i].setDaemon(true);
             arrThreads[i].start();
         }
         Thread.sleep(500);
         for (int i = 0; i < arrThreads.length; i++)
         {
             synchronized(arrThreads[i])
             {
                 arrThreads[i].notify();
             }
         }
     }

     private static void notifyTest2() throws InterruptedException
     {
         MyRunner[] arrMyRunners = new MyRunner[3];
         Thread[] arrThreads = new Thread[3];
         for (int i = 0; i < arrThreads.length; i++)
         {
             arrMyRunners[i] = new MyRunner();
             arrMyRunners[i].id = i;
             arrThreads[i] = new Thread(arrMyRunners[i]);
             arrThreads[i].setDaemon(true);
             arrThreads[i].start();
         }
         Thread.sleep(500);
         for (int i = 0; i < arrMyRunners.length; i++)
         {
             synchronized(arrMyRunners[i])
             {
                 arrMyRunners[i].notify();
             }
         }
     }

     private static void notifyTest3() throws InterruptedException
     {
         MyRunner runner = new MyRunner();
         Thread[] arrThreads = new Thread[3];
         for (int i = 0; i < arrThreads.length; i++)
         {
             arrThreads[i] = new Thread(runner);
             arrThreads[i].setDaemon(true);
             arrThreads[i].start();
         }
         Thread.sleep(500);

         synchronized(runner)
         {
             runner.notifyAll();
         }
     }
 }

 class MyThread extends Thread
 {
     public int id = 0;
     public void run()
     {
         System.out.println("第" + id + "个线程准备休眠5分钟。");
         try
         {
             synchronized(this)
             {
                 this.wait(5*60*1000);
             }
         }
         catch(InterruptedException ex)
         {
             ex.printStackTrace();
         }
         System.out.println("第" + id + "个线程被唤醒。");
     }
 }

 class MyRunner implements Runnable
 {
     public int id = 0;
     public void run()
     {
         System.out.println("第" + id + "个线程准备休眠5分钟。");
         try
         {
             synchronized(this)
             {
                 this.wait(5*60*1000);
             }
         }
         catch(InterruptedException ex)
         {
             ex.printStackTrace();
         }
         System.out.println("第" + id + "个线程被唤醒。");
     }

 }

示例代码中,notifyTest()和notifyTest2()是“多对象多线程”,尽管notifyTest2()中的线程实现了Runnable接口,但是它里面定义Thread数组时,每个元素都使用了一个新的Runnable实例。notifyTest3()属于“单对象多线程”,因为我们只定义了一个Runnable实例,所有的线程都会使用这个实例。

notifyAll方法适用于“单对象多线程”的情景,因为notify方法只会随机唤醒对象上的一个线程。

线程的状态切换

对于线程来讲,从我们创建它一直到线程运行结束,在这个过程中,线程的状态可能是这样的:

创建:已经有Thread实例了, 但是CPU还有为其分配资源和时间片。
就绪:线程已经获得了运行所需的所有资源,只等CPU进行时间调度。
运行:线程位于当前CPU时间片中,正在执行相关逻辑。
休眠:一般是调用Thread.sleep后的状态,这时线程依然持有运行所需的各种资源,但是不会被CPU调度。
挂起:一般是调用Thread.suspend后的状态,和休眠类似,CPU不会调度该线程,不同的是,这种状态下,线程会释放所有资源。
死亡:线程运行结束或者调用了Thread.stop方法。

下面我们来演示如何进行线程状态切换,首先我们会用到下面方法:

Thread()或者Thread(Runnable):构造线程。
Thread.start:启动线程。
Thread.sleep:将线程切换至休眠状态。
Thread.interrupt:中断线程的执行。
Thread.join:等待某线程结束。
Thread.yield:剥夺线程在CPU上的执行时间片,等待下一次调度。
Object.wait:将Object上所有线程锁定,直到notify方法才继续运行。
Object.notify:随机唤醒Object上的1个线程。
Object.notifyAll:唤醒Object上的所有线程。

下面,就是演示时间啦!!!

线程等待与唤醒

这里主要使用Object.wait和Object.notify方法,请参见上面的notify实例。需要注意的是,wait和notify都必须针对同一个对象,当我们使用实现Runnable接口的方式来创建线程时,应该是在Runnable对象而非Thread对象上使用这两个方法。

线程的休眠与唤醒

复制代码 代码如下:

Thread.sleep实例
 public class SleepSample {

     public static void main(String[] args) throws InterruptedException
     {
         sleepTest();
     }

     private static void sleepTest() throws InterruptedException
     {
         Thread thread = new Thread()
         {
             public void run()
             {
                 System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + "将要休眠5分钟。");
                 try
                 {
                     Thread.sleep(5*60*1000);
                 }
                 catch(InterruptedException ex)
                 {
                     System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + "休眠被中断。");
                 }
                 System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + "休眠结束。");
             }
         };
         thread.setDaemon(true);
         thread.start();
         Thread.sleep(500);
         thread.interrupt();
     }

 }

线程在休眠过程中,我们可以使用Thread.interrupt将其唤醒,这时线程会抛出InterruptedException。

线程的终止


虽然有Thread.stop方法,但该方法是不被推荐使用的,我们可以利用上面休眠与唤醒的机制,让线程在处理IterruptedException时,结束线程。

复制代码 代码如下:

Thread.interrupt示例
 public class StopThreadSample {

     public static void main(String[] args) throws InterruptedException
     {
         stopTest();
     }

     private static void stopTest() throws InterruptedException
     {
         Thread thread = new Thread()
         {
             public void run()
             {
                 System.out.println("线程运行中。");
                 try
                 {
                     Thread.sleep(1*60*1000);
                 }
                 catch(InterruptedException ex)
                 {
                     System.out.println("线程中断,结束线程");
                     return;
                 }
                 System.out.println("线程正常结束。");
             }
         };
         thread.start();
         Thread.sleep(500);
         thread.interrupt();
     }
 }

线程的同步等待

当我们在主线程中创建了10个子线程,然后我们期望10个子线程全部结束后,主线程在执行接下来的逻辑,这时,就该Thread.join登场了。

复制代码 代码如下:

Thread.join示例
 public class JoinSample {

     public static void main(String[] args) throws InterruptedException
     {
         joinTest();
     }

     private static void joinTest() throws InterruptedException
     {
         Thread thread = new Thread()
         {
             public void run()
             {
                 try
                 {
                     for(int i = 0; i < 5; i++)
                     {
                         System.out.println("线程在运行。");
                         Thread.sleep(1000);
                     }
                 }
                 catch(InterruptedException ex)
                 {
                     ex.printStackTrace();
                 }
             }
         };
         thread.setDaemon(true);
         thread.start();
         Thread.sleep(1000);
         thread.join();
         System.out.println("主线程正常结束。");
     }
 }

我们可以试着将thread.join();注释或者删除,再次运行程序,就可以发现不同了。

线程间通信


我们知道,一个进程下面的所有线程是共享内存空间的,那么我们如何在不同的线程之间传递消息呢?在回顾 Java I/O时,我们谈到了PipedStream和PipedReader,这里,就是它们发挥作用的地方了。

下面的两个示例,功能完全一样,不同的是一个使用Stream,一个使用Reader/Writer。

复制代码 代码如下:

PipeInputStream/PipedOutpueStream 示例
 public static void communicationTest() throws IOException, InterruptedException
 {
     final PipedOutputStream pos = new PipedOutputStream();
     final PipedInputStream pis = new PipedInputStream(pos);

     Thread thread1 = new Thread()
     {
         public void run()
         {
             BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
             try
             {
                 while(true)
                 {
                     String message = br.readLine();
                     pos.write(message.getBytes());
                     if (message.equals("end")) break;
                 }
                 br.close();
                 pos.close();
             }
             catch(Exception ex)
             {
                 ex.printStackTrace();
             }
         }
     };

     Thread thread2 = new Thread()
     {
         public void run()
         {
             byte[] buffer = new byte[1024];
             int bytesRead = 0;
             try
             {
                 while((bytesRead = pis.read(buffer, 0, buffer.length)) != -1)
                 {
                     System.out.println(new String(buffer));
                     if (new String(buffer).equals("end")) break;
                     buffer = null;
                     buffer = new byte[1024];
                 }
                 pis.close();
                 buffer = null;
             }
             catch(Exception ex)
             {
                 ex.printStackTrace();
             }
         }
     };

     thread1.setDaemon(true);
     thread2.setDaemon(true);
     thread1.start();
     thread2.start();
     thread1.join();
     thread2.join();
 }

复制代码 代码如下:

PipedReader/PipedWriter 示例
 private static void communicationTest2() throws InterruptedException, IOException
 {
     final PipedWriter pw = new PipedWriter();
     final PipedReader pr = new PipedReader(pw);
     final BufferedWriter bw = new BufferedWriter(pw);
     final BufferedReader br = new BufferedReader(pr);

     Thread thread1 = new Thread()
     {
         public void run()
         {

             BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
             try
             {
                 while(true)
                 {
                     String message = br.readLine();
                     bw.write(message);
                     bw.newLine();
                     bw.flush();
                     if (message.equals("end")) break;
                 }
                 br.close();
                 pw.close();
                 bw.close();
             }
             catch(Exception ex)
             {
                 ex.printStackTrace();
             }
         }
     };

     Thread thread2 = new Thread()
     {
         public void run()
         {

             String line = null;
             try
             {
                 while((line = br.readLine()) != null)
                 {
                     System.out.println(line);
                     if (line.equals("end")) break;
                 }
                 br.close();
                 pr.close();
             }
             catch(Exception ex)
             {
                 ex.printStackTrace();
             }
         }
     };

     thread1.setDaemon(true);
     thread2.setDaemon(true);
     thread1.start();
     thread2.start();
     thread1.join();
     thread2.join();
 }
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