Java回顾之多线程

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：

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：
  

  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：
  

  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：

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：

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：

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。

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

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。

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。

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。

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();
}

 1 private static void communicationTest2() throws InterruptedException, IOException
 2 {
 3     final PipedWriter pw = new PipedWriter();
 4     final PipedReader pr = new PipedReader(pw);
 5     final BufferedWriter bw = new BufferedWriter(pw);
 6     final BufferedReader br = new BufferedReader(pr);
 7     
 8     Thread thread1 = new Thread()
 9     {
10         public void run()
11         {
12             
13             BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
14             try
15             {
16                 while(true)
17                 {
18                     String message = br.readLine();
19                     bw.write(message);
20                     bw.newLine();
21                     bw.flush();
22                     if (message.equals("end")) break;
23                 }
24                 br.close();
25                 pw.close();
26                 bw.close();
27             }
28             catch(Exception ex)
29             {
30                 ex.printStackTrace();
31             }
32         }
33     };
34     
35     Thread thread2 = new Thread()
36     {
37         public void run()
38         {
39             
40             String line = null;
41             try
42             {
43                 while((line = br.readLine()) != null)
44                 {
45                     System.out.println(line);
46                     if (line.equals("end")) break;
47                 }
48                 br.close();
49                 pr.close();
50             }
51             catch(Exception ex)
52             {
53                 ex.printStackTrace();
54             }
55         }
56     };
57     
58     thread1.setDaemon(true);
59     thread2.setDaemon(true);
60     thread1.start();
61     thread2.start();
62     thread1.join();
63     thread2.join();
64 }