JavaSE基础教程(二十六)多线程、Thread、线程创建、线程池、线程状态图

第1章 多线程

1.1 多线程介绍

学习多线程之前,我们先要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?即就是一个程序中有多个线程在同时执行。

通过下图来区别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,去网吧上网,网吧只能让一个人上网,当这个人下机后,下一个人才能上网。
  • 多线程程序:即,若有多个任务可以同时执行。如,去网吧上网,网吧能够让多个人同时上网。

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。

  • 抢占式调度

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

大部分操作系统都支持多进程并发运行,现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如:现在我们上课一边使用编辑器,一边使用录屏软件,同时还开着画图板,dos窗口等软件。此时,这些程序是在同时运行,”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。

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。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。

其实,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

回想我们以前学习中写过的代码,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方法的代码执行结束。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 d = new Demo("小强");
         Demo d2 = new Demo("旺财");
		d.show();		
		d2.show();
		System.out.println("Hello World!");
	}
}

若在上述代码中show方法中的循环执行次数很多,这时在d.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=小强,i=值,这样的语句。为什么会这样呢?

原因是: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?

能够实现同时执行,通过Java中的多线程技术来解决该问题。

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。Thread是程序中的执行线程。Java 虚拟机允许应用程序并发地运行多个执行线程。

  • 构造方法

  • 常用方法

继续阅读,发现创建新执行线程有两种方法。

  • 一种方法是将类声明为 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。
  • 另一种方法是声明一个实现 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。

1.5 创建线程方式一继承Thread类

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,同时还会告诉jvm去调用run方法。

  • 测试类
public class Demo01 {
	public static void main(String[] args) {
		//创建自定义线程对象
		MyThread mt = new MyThread("新的线程!");
		//开启新线程
		mt.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);
		}
	}
}
  • 自定义线程类
public class MyThread extends Thread {
	//定义指定线程名称的构造方法
	public MyThread(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,完成该线程执行的逻辑
	 */
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println(getName()+":正在执行!"+i);
		}
	}
}

思考:线程对象调用 run方法和调用start方法区别?

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。

1.5.1 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();
t1.start();//这样做没有错,但是该start调用的是Thread类中的run方法,而这个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。

创建线程的目的是什么?

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。

1.5.2 多线程的内存图解

多线程执行时,到底在内存中是如何运行的呢?

以上个程序为例,进行图解说明:

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。

1.5.3 获取线程名称

开启的线程都会有自己的独立运行栈内存,那么这些运行的线程的名字是什么呢?该如何获取呢?既然是线程的名字,按照面向对象的特点,是哪个对象的属性和谁的功能,那么我们就去找那个对象就可以了。查阅Thread类的API文档发现有个方法是获取当前正在运行的线程对象。还有个方法是获取当前线程对象的名称。既然找到了,我们就可以试试。

  • currentThread()获取当前线程对象
  • currentThread().getName();获取当前线程对象的名称
class MyThread extends Thread {  //继承Thread
	MyThread(String name){
		super(name);
	}
	//复写其中的run方法
	public void run(){
		for (int i=1;i<=20 ;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();
		d.run();//没有开启新线程, 在主线程调用run方法
		d2.start();//开启一个新线程,新线程调用run方法
	}
}

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......

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。

为何要实现Runnable接口,Runable是啥玩意呢?继续API搜索。

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。

  • 接口中的方法

  • Thread类构造方法

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。

  • 代码演示:
public class Demo02 {
	public static void main(String[] args) {
		//创建线程执行目标类对象
		Runnable runn = 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);
		}
	}
}
  • 自定义线程执行任务类
public class MyRunnable implements Runnable{

	//定义线程要执行的run方法逻辑
	@Override
	public void run() {
		
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println("我的线程:正在执行!"+i);
		}
	}
}

1.6.1 实现Runnable的原理

为什么需要定一个类去实现Runnable接口呢?继承Thread类和实现Runnable接口有啥区别呢?

实现Runnable接口,避免了继承Thread类的单继承局限性。覆盖Runnable接口中的run方法,将线程任务代码定义到run方法中。

创建Thread类的对象,只有创建Thread类的对象才可以创建线程。线程任务已被封装到Runnable接口的run方法中,而这个run方法所属于Runnable接口的子类对象,所以将这个子类对象作为参数传递给Thread的构造函数,这样,线程对象创建时就可以明确要运行的线程的任务。

1.6.2 实现Runnable的好处

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 x = 0; x < 40; x++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                    + "...X...." + x);
        }
    }
}.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 r = new Runnable() {
    public void run() {
        for (int x = 0; x < 40; x++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                    + "...Y...." + x);
        }
    }
};
new Thread(r).start();

new Thread(r).start();

第2章 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。

我们详细的解释一下为什么要使用线程池?

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:
    • 创建线程池对象
    • 创建Runnable接口子类对象
    • 提交Runnable接口子类对象
    • 关闭线程池

代码演示:

public class ThreadPoolDemo {
	public static void main(String[] args) {
		//创建线程池对象
		ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
		//创建Runnable实例对象
		MyRunnable r = new MyRunnable();
		
		//自己创建线程对象的方式
		//Thread t = new Thread(r);
		//t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run()
		
		//从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
		service.submit(r);
		//再获取个线程对象,调用MyRunnable中的run()
		service.submit(r);
		service.submit(r);
//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 MyRunnable implements Runnable {
	@Override
	public void run() {
		System.out.println("我要一个教练");
		
		try {
			Thread.sleep(2000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("教练来了: " +Thread.currentThread().getName());
		System.out.println("教我游泳,交完后,教练回到了游泳池");
	}
}

2.3 使用线程池方式—Callable接口

  • Callable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。
  • ExecutorService:线程池类
    • <T> Future<T> submit(Callable<T> 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。线程池创建与使用

 

  • 使用线程池中线程对象的步骤:
    • 创建线程池对象
    • 创建Callable接口子类对象
    • 提交Callable接口子类对象
    • 关闭线程池

代码演示:

public class ThreadPoolDemo {
	public static void main(String[] args) {
		//创建线程池对象
		ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
		//创建Callable对象
		MyCallable c = new MyCallable();
		
		//从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
		service.submit(c);
		
		//再获取个教练
		service.submit(c);
		service.submit(c);
//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();
	}
}
  • 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 MyCallable implements Callable {
	@Override
	public Object call() throws Exception {
		System.out.println("我要一个教练:call");
		Thread.sleep(2000);
		System.out.println("教练来了: " +Thread.currentThread().getName());
		System.out.println("教我游泳,交完后,教练回到了游泳池");
		return null;
	}
}

2.4 线程池练习:返回两个数相加的结果

要求:通过线程池中的线程对象,使用Callable接口完成两个数求和操作

  • 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
    • V get() 获取Future对象中封装的数据结果

代码演示:

public class ThreadPoolDemo {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
		//创建线程池对象
		ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
		
		//创建一个Callable接口子类对象
		//MyCallable c = new MyCallable();
		MyCallable c = new MyCallable(100, 200);
		MyCallable c2 = new MyCallable(10, 20);
		
		//获取线程池中的线程,调用Callable接口子类对象中的call()方法, 完成求和操作
		// Future submit(Callable task)
		// Future 结果对象
		Future result = threadPool.submit(c);
		//此 Future 的 get 方法所返回的结果类型
		Integer sum = result.get();
		System.out.println("sum=" + sum);
		
		//再演示
		result = threadPool.submit(c2);
		sum = result.get();
		System.out.println("sum=" + sum);
		//关闭线程池(可以不关闭)
		
	}
}
  • Callable接口实现类
public class MyCallable implements Callable {
	//成员变量
	int x = 5;
	int y = 3;
	//构造方法
	public MyCallable(){
	}
	public MyCallable(int x, int y){
		this.x = x;
		this.y = y;
	}

	@Override
	public Integer call() throws Exception {
		return x+y;
	}
}

补充内容

360中的线程程序

迅雷下载线程原理

主线程

单线程程序

线程随机性

线程状态图

配套资料和源码下载

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