Java并发之线程管理（线程基础知识）

因为书中涵盖的知识点比较全，所以就以书中的目录来学习和记录。当然，学习书中知识的时候自己的思考和实践是最重要的。说到线程，脑子里大概知道是个什么东西，但很多东西都还是懵懵懂懂，这是最可怕的。所以想着细致的来学习一下，就从这本实战开始学习。

疑问点：什么时候会用到多线程？什么情况下使用多线程来解决问题比较合适？

线程的创建和运行

就像学习任何知识一样，要学线程，先得学一下线程是怎么声明（创建）和运行起来的。

一般来说，java创建线程有两种常用的方式（线程池后面再谈）：

　　1、继承Thread类，并且覆盖run()方法。

　　2、实现Runnable接口类，使用带参数的Thread构造器来创建Thread对象，参数就是Runnable接口的一个对象。

那么创建完了怎么运行呢？调用run（）方法？调用run()方法只是简单的 类对象调用自己的成员方法，那么怎么会开启线程呢？而且每一个线程还有自己的信息（线程名字，线程ID,优先级等）。那么应该是怎么运行呢？答案是调用start()方法。

来个实例更加直观：

• 继承Thread类

//创建
public class Thread2 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("继承Thread类创建线程");
    }
}
//运行
private static void createThread2() {
        Thread2 t2 = new Thread2();
        Thread thread = new Thread(t2);
        thread.start();
}

• 实现Runnable接口

//创建
public class Thread1 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("实现Runnable接口创建线程");
    }
}
//运行
private static void createThread1() {
        Runnable t1 = new Thread1();
        Thread thread = new Thread(t1);
        thread.start();
}

线程信息的获取和设置

Thread类有一些保存信息的属性，这些属性可以用来标识线程，显示线程状态或者控制线程的优先级。其实这些信息在Thread类中都可以找到，也就是Thread类的一些成员变量。

• ID:保存线程的唯一标识符
• Name:线程名称
• Priority：线程对象的优先级，线程优先级从1-10，1是最低优先级，10是最高优先级。

• Status:线程状态。在Java中，线程的状态有6种：new（创建）、runnbale（运行）、blocked（阻塞）、waiting（等待）、time waiting和terminated（终止）。状态转换图：

 这个图和上面的六种状态有点差异，六种状态是在Thread类中的枚举类State中的六种枚举。

public enum State {
        NEW,
        RUNNABLE,
        BLOCKED,
        WAITING,
        TIMED_WAITING,
        TERMINATED;
}

在记忆的时候可以像上图中所示的那样，线程的状态转换图总是会忘掉，可以类比来记忆。线程的物种状态 创建、就绪、运行、阻塞和终止状态 类比开车的过程。

创建--->把车从车库拿出来

就绪--->坐在驾驶位置上，发动，拉手刹

运行--->车启动，开始走

阻塞--->路口红灯需要停车等待

就绪--->红灯停止，拉手刹开车

终止--->到达目的地，停车

例子举的不是很恰当，其实状态转换主要还是就绪、运行和阻塞三个状态的切换。运行状态运行一段时间后因为某些原因转阻塞状态，阻塞状态解除后 不会立马到运行状态而是到就绪状态，只有就绪状态才有可能获取CPU调度然后重新 变为运行状态。

 线程的中断

就是结束正在运行的线程。中断方式有以下几种：

• 调用interrupt()方法，当前执行的线程就会被中断。

task.interrupt();

判断一个线程是否被中断了，有两种方式：

1. interrupted(),检查当前执行的线程是否被中断
2. isInterrupted():当interrupt()方法被调用时，Thread类中表名线程是否被中断的属性会被设置为true。isInterrupted()方法返回这个属性的值。

推荐使用isInterrupted(),因为interrupted()方法是一个静态方法。

public static boolean interrupted() {
        return currentThread().isInterrupted(true);
}

线程中断的控制

如果线程实现了复杂的算法那并且分布在几个方法中，或者线程中有递归调用的方法，如何去中断线程？因为直接 调用interrupt()方法不能立竿见影。java还提供了InterruptException异常。当检查到线程中断的时候，就抛出异常，然后在run()方法中捕获并处理这个异常。

run()方法中捕获异常，打印线程信息

@Override
    public void run() {
        File file = new File(initPath);
        if (file.isDirectory()) {
            try {
                dirctoryProcess(file);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.printf("%s:the search has been interrupted", Thread.currentThread().getName());
            }
        }
    }

在dirctoryProcess()方法中抛出异常。

private void dirctoryProcess(File file) throws InterruptedException {
        File[] list = file.listFiles();
        if (list != null) {
            for (int i = 0; i < list.length; i++) {
                if (list[i].isDirectory()) {
                    dirctoryProcess(list[i]);
                } else {
                    fileProcess(list[i]);
                }
            }
        }
        if (Thread.interrupted()) {
            throw new InterruptedException();
        }
    }

线程的休眠和恢复

java里面提供了sleep()方法来休眠线程。需要掌握的知识点：

• 休眠指定时间后线程自动恢复
• 线程休眠的方式有两种：
• Thread.sleep(1000);//休眠一秒，其中这里的单位为ms
• TimeUnit.SECONDS.sleep(1);//休眠一秒，这里的单位为s

等待线程的终止（join()）

当一个线程对象的join()方法被调用时，调用它的线程将被挂起，直到这个线程对象完成它的任务。意思就是：如果在线程B中线程A调用了join()方法，那么只有A线程执行完毕后，才会接着执行线程B下面的代码。

DataSourceLoader睡眠3秒

public class DataSourceLoader implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.printf("Begining data sources loading: %s
",new Date());
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.printf("Data Sources loading has finised:%s
",new Date());
    }
}

NetWorkConnectionLoader睡眠6秒

public class NetWorkConnectionLoader implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.printf("Begining data sources loading: %s
",new Date());
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(6);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.printf("Data Sources loading has finised:%s
",new Date());
    }
}

执行Main

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        DataSourceLoader dsLoader = new DataSourceLoader();
        Thread t1 = new Thread(dsLoader,"DataSourceThread");
        NetWorkConnectionLoader ncLoader = new NetWorkConnectionLoader();
        Thread t2 = new Thread(ncLoader,"NetWorkConnectionThread");
        t1.start();
        t2.start();
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.printf("Main: Configuration has been loaded:%s
",new Date());
    }
}

输出结果如下：

Begining data sources loading: Tue Apr 25 14:46:39 CST 2017
Begining data sources loading: Tue Apr 25 14:46:39 CST 2017
Data Sources loading has finised:Tue Apr 25 14:46:42 CST 2017
NetWorkConnectionLoader loading has finised:Tue Apr 25 14:46:45 CST 2017
Main: Configuration has been loaded:Tue Apr 25 14:46:45 CST 2017

从结果可以看出：对于main函数线程，如果t1,t2没有调用join函数(),则“

Main: Configuration has been loaded:Tue Apr 25 14:46:45 CST 2017

”这句话应该是先打印的，由于t1,t2调用join函数，结果是main要等待t1，t2执行完成后再执行main线程，即使t1，t2睡眠了一段时间。

java还提供了另外两种形式的join()方法：

• join(long milliseconds)
• join(long milliseconds,long nanos)

当一个线程调用其他线程的join()方法时，如果使用的是第一种join()方式，那么它不必等到被调用线程运行终止，如果参数指定的毫秒时钟已经到达，它将继续运行。例如：thread1中有这样的代码thread2.join(1000),thread1将挂起，知道满足下面两个条件之一：

• thread2运行已经完成
• 时钟已经过去了1000毫秒

当两个条件中的任何一个成立是，join()方法将返回。

第二种join()方法跟第一种相似，只是需要接受毫秒和纳秒两个参数。

其实join()方法在底层调用的就是join(long milliseconds)方法，只不过传递的值是0,即：

public final void join() throws InterruptedException {
        join(0);
}

join()底层实现有一个wait()方法，这样看就比较好记忆了

public final synchronized void join(long millis)
    throws InterruptedException {
        long base = System.currentTimeMillis();
        long now = 0;
        if (millis < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }
        if (millis == 0) {
            while (isAlive()) {
                wait(0);
            }
        } else {
            while (isAlive()) {
                long delay = millis - now;
                if (delay <= 0) {
                    break;
                }
                wait(delay);
                now = System.currentTimeMillis() - base;
            }
        }
    }

守护线程的创建和运行

守护线程（Daemon）：这种线程的优先级很低，通常来说，当一个应用程序中没有其他线程运行的时候，守护线程才运行(这个是守护线程的特性)。当守护线程是程序中唯一运行的线程时，守护线程执行结束后，JVM也就结束了。一个典型的守护线程是Java的垃圾回收器。

举的例子是一个队列中的数据插入和取出：

其中WriteTask负责向队列中插入数据，循环一百次，插入的内容为 时间和 字符串类型的 事件

public class WriterTask implements Runnable {
    Deque<Event> deque;
    
    public WriterTask (Deque<Event> deque){
        this.deque=deque;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        
        // Writes 100 events
        for (int i=1; i<100; i++) {
            // Creates and initializes the Event objects 
            Event event=new Event();
            event.setDate(new Date());
            event.setEvent(String.format("The thread %s has generated an event",Thread.currentThread().getId()));
            
            // Add to the data structure
            deque.addFirst(event);
            try {
                // Sleeps during one second
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

 

记录队列中信息的类 Event

public class Event {

    private Date date;
    private String event;
    
    public Date getDate() {
        return date;
    }
    
    
    public void setDate(Date date) {
        this.date = date;
    }
    
    
    public String getEvent() {
        return event;
    }
    
    public void setEvent(String event) {
        this.event = event;
    }
}

取出数据的线程是一个守护线程 ClearTask

public class CleanerTask extends Thread {
    private Deque<Event> deque;

    public CleanerTask(Deque<Event> deque) {
        this.deque = deque;
        // Establish that this is a Daemon Thread
        setDaemon(true);
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            Date date = new Date();
            clean(date);
        }
    }

    private void clean(Date date) {
        long difference;
        boolean delete;
        
        if (deque.size()==0) {
            return;
        }
        
        delete=false;
        do {
            Event e = deque.getLast();
            difference = date.getTime() - e.getDate().getTime();
            if (difference > 10000) {
                System.out.printf("Cleaner: %s
",e.getEvent());
                deque.removeLast();
                delete=true;
            }    
        } while (difference > 10000);
        if (delete){
            System.out.printf("Cleaner: Size of the queue: %d
",deque.size());
        }
    }
}

最后是执行的Main:

public static void main(String[] args) {

        Deque<Event> deque=new ArrayDeque<Event>();
        
        WriterTask writer=new WriterTask(deque);
        for (int i=0; i<3; i++){
            Thread thread=new Thread(writer);
            thread.start();
        }
        
        CleanerTask cleaner=new CleanerTask(deque);
        cleaner.start();
    }

三个写线程，一个取线程，值得注意的是，只有当三个写线程都休眠的时候，取线程才开始工作。

线程中不可控异常的处理

java中异常Exception下面分两类，

• 受检异常（非运行时异常）（Checked Exception）
• 非受检异常（运行时异常）（UnChecked Exception）

由于线程的run()方法不能接受抛出异常，对于受检异常来说，可以在编写程序时捕获，对于非受检异常来说，因为不知道会不会抛出异常，这样就比较麻烦。好在Java提供了一种在线程对象里捕获和处理运行时异常的一种机制。具体如下：

实现用来处理运行时异常的类，这个类实现UnCaughtExceptionHandler接口并且实现这个接口的uncaughtException()方法

public class ExceptionHandler implements UncaughtExceptionHandler {
    @Override    
    public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
        System.out.printf("An exception has been captured
");
        System.out.printf("Thread: %s
",t.getId());
        System.out.printf("Exception: %s: %s
",e.getClass().getName(),e.getMessage());
        System.out.printf("Stack Trace: 
");
        e.printStackTrace(System.out);
        System.out.printf("Thread status: %s
",t.getState());
    }
}

在run()方法里面制造运行时异常：

@Override
    public void run() {
        // The next instruction always throws and exception
        int numero=Integer.parseInt("TTT");
}

main函数如下：

public static void main(String[] args) {
        Task task=new Task();
        Thread thread=new Thread(task);
        thread.setUncaughtExceptionHandler(new ExceptionHandler());
        thread.start();
        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        System.out.printf("Thread has finished
");
    }

这样就捕获了运行时异常，运行结果如下：

An exception has been captured
Thread: 10
Exception: java.lang.NumberFormatException: For input string: "TTT"
Stack Trace: 
java.lang.NumberFormatException: For input string: "TTT"
    at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:580)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:615)
    at com.packtpub.java7.concurrency.chapter1.recipe8.task.Task.run(Task.java:16)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
Thread status: RUNNABLE
Thread has finished

如果不捕获异常，那么输出结果如下：

Exception in thread "Thread-0" java.lang.NumberFormatException: For input string: "TTT"
    at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:580)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:615)
    at com.packtpub.java7.concurrency.chapter1.recipe8.task.Task.run(Task.java:16)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
Thread has finished

线程局部变量的使用（ThreadLocal）

多线程中，共享数据是不安全的。为了保证共享数据的安全性有两种思路：

1. 设置临界区，保证临界区里的数据一次只能有一个线程访问
2. 为每个线程维护一个该共享数据的局部变量，这样，每个线程各自使用自己的局部变量。ThreadLocal就是这种思路的实现。

使用ThreadLocal的大致思路是：把共享数据包装在ThreadLocal<T>中。包装完成后ThreadLocal提供了取值和设值的方法。提供的方法有：

• get()：返回此线程局部变量的当前线程副本中的值。
• set()：将次线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值。
• remove()：移除此线程局部变量当前线程的值。
• initialValue():返回次线程局部变量的当前线程的“初始值”。线程第一次使用get()方法访问变量时将调用此方法，但如果线程之前调用了set(T)方法，则不会对该线程再调用initialValue()方法。通常，此方法对每个线程最多调用一次，但如果在调用get()后又调用了remove(),则可能再次调用此方法。

使用方式如下：

public class SafeTask implements Runnable {

    private static ThreadLocal<Date> startDate= new ThreadLocal<Date>() {
        protected Date initialValue(){
            return new Date();
        }
    };
    
    @Override
    public void run() {
        // Writes the start date
        System.out.printf("Starting Thread: %s : %s
",Thread.currentThread().getId(),startDate.get());
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep((int)Math.rint(Math.random()*10));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // Writes the start date
        System.out.printf("Thread Finished: %s : %s
",Thread.currentThread().getId(),startDate.get());
    }
}

线程的分组

Java提供了ThreadGroup类表示一组线程。线程组可以包含线程对象，也可以包含其他的线程组对象，它是一个树形结构。

线程组允许把一个组的线程当做一个单元，对组内线程对象进行访问并操作他们。对一些执行相同任务的线程，只要一个单一的调用，所有这些线程的运行都会被中断。

例子是这样的：创建十个线程并让他们休眠一个随机时间（这段时间比如执行了一个查询），当其中一个线程查找成功的时候，我们将中断其他的9个线程。

疑问点：线程组和线程之间是如何绑定的？

ThreadGroup threadGroup = new ThreadGroup("Searcher");
SearchTask searchTask=new SearchTask(result);
for (int i=0; i<5; i++) {
    Thread thread=new Thread(threadGroup, searchTask);
    thread.start();
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

如上所示，这样就绑定了线程searchTask和线程组threadGroup。线程组提供了一些方法，

activeCount():线程组中活动线程的估计数

interrupt():中断此线程中的所有线程

...其他方法以后用到的时候查看API

等待线程组中有线程满足结束条件

private static void waitFinish(ThreadGroup threadGroup) {
        while (threadGroup.activeCount()>9) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

中断线程组中的所有线程

threadGroup.interrupt();

线程组中不可控异常的处理

在线程中处理不可控异常，上面的做法是编写一个类继承UncaughtExceptionHandler接口，然后使用thread.setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh)来实现。因为Thread没有继承UncaughtExceptionHandler接口，而是提供了一个方法：

public void setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh) {
        checkAccess();
        uncaughtExceptionHandler = eh;
    }

对于线程组来说，线程组直接实现了UncaughtExceptionHandler接口，

class ThreadGroup implements Thread.UncaughtExceptionHandler {

这样的话，我们就可以声明一个类MyThreadGroup来继承ThreadGroup类，并实现UncaughtExceptionHandler接口唯一的方法：uncaughtException()方法

public class MyThreadGroup extends ThreadGroup {
    public MyThreadGroup(String name) {
        super(name);
    }
    @Override
    public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
    }
}

这样的话以后在使用MyThreadGroup的时候，出现了运行时异常，就可以交给已经实现的uncaughtException()方法处理了。

使用工厂类创建线程

Java提供了ThreadFactory接口，这个接口实现了线程对象工厂。

public interface ThreadFactory {
    Thread newThread(Runnable r);
}

工厂类就是用来创建对象的，那么如何使用线程工厂类呢？

其实从上面的接口看到，ThreadFactory定义了唯一的方法：newThread(Runnable r);方法需要一个Runnable类型的参数，这个参数就是我们定义的线程类。回顾一下不用线程工厂类的时候创建线程对象时怎么用的？

public class Thread1 implements Runnable{
@override
public void run(){
}
}
Runnable t1 = new Thread1();
Thread t = new Thread(t1);
t.start();

使用了工厂之后呢？这么写,继承ThreadFactory接口实现newThread()方法，这里创建线程

public class MyThreadFactory implements ThreadFactory {
@Override
    public Thread newThread(Runnable r) {
        Thread t=new Thread(r,"thread_name");
        return t;
    }
}

然后创建线程的时候这么写：

Task task = new Task();
Thread thread=factory.newThread(task);

这么写有什么好处呢？创建线程集中在了new Thread()方法中。

1. 更容易修改类，或者改变创建对象的方式
2. 更容易为有限资源创建对象的数目，可以限制一个类型的对象的个数
3. 更容易为创建的对象生成统计数据