【多线程】Thread 类 详解

Thread 类 详解

  • 一. 创建线程
    • 1. 继承 Thread 类
    • 2. 实现 Runnable 接口
    • 3. 其他变形
    • 4. 多线程的优势-增加运行速度
  • 二. Thread 类
    • 1. 构造方法
    • 2. 常见属性
    • 3. 启动线程-start()
    • 4. 中断线程-interrupt()
    • 5. 线程等待-join()
    • 6. 线程休眠-sleep()
    • 7. 获取当前线程引用
  • 三. 线程的状态
    • 1. 观察线程的所有状态
    • 2. 线程状态和状态转移的意义
    • 3. 观察线程的状态和转移

一. 创建线程

1. 继承 Thread 类

  1. 继承 Thread 来创建一个线程类,并重写 run() 方法
class MyThread extends Thread {@Overridepublic void run() {System.out.println("这里是线程运行的代码");}
}
  1. 创建 MyThread 类的实例
MyThread t = new MyThread();
  1. 调用 start 方法启动线程
t.start(); // 线程开始运行

注意:只有调用 start 函数才真正的创建了一个线程。

2. 实现 Runnable 接口

更推荐使用这种方法, 因为 Runnable 只是描述了一个任务,至于任务通过进程、线程、线程池还是什么来执行的,Runnable 并不关心,使代码更好的解耦合。

  1. 实现 Runnable 接口
class MyRunnable implements Runnable {@Overridepublic void run() {System.out.println("这里是线程运行的代码");}
}
  1. 创建 Thread 类实例, 调用 Thread 的构造方法时将 Runnable 对象作为 target 参数.
Thread t = new Thread(new MyRunnable());
  1. 调用 start 方法
t.start(); // 线程开始运行

对比上面两种方法:

  • 继承 Thread 类, 直接使用 this 就表示当前线程对象的引用.
  • 实现 Runnable 接口, this 表示的是 MyRunnable 的引用. 需要使用 Thread.currentThread() 来获取当前线程引用。

3. 其他变形

  • 匿名内部类创建 Thread 子类对象
// 使用匿名类创建 Thread 子类对象
Thread t1 = new Thread() {@Overridepublic void run() {System.out.println("使用匿名类创建 Thread 子类对象");}
};
  • 匿名内部类创建 Runnable 子类对象
// 使用匿名类创建 Runnable 子类对象
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("使用匿名类创建 Runnable 子类对象");}
});
  • lambda 表达式创建 Runnable 子类对象
// 使用 lambda 表达式创建 Runnable 子类对象
Thread t3 = new Thread(() -> System.out.println("使用匿名类创建 Thread 子类对象"));
Thread t4 = new Thread(() -> {System.out.println("使用匿名类创建 Thread 子类对象");
});

4. 多线程的优势-增加运行速度

可以观察多线程在一些场合下是可以提高程序的整体运行效率的。

  • 使用 System.nanoTime() 可以记录当前系统的 纳秒 级时间戳.
  • serial 串行的完成一系列运算. concurrency 使用两个线程并行的完成同样的运算.
class ThreadAdvantage {// 多线程并不一定就能提高速度,可以观察,count 不同,实际的运行效果也是不同的private static final long count = 10_0000_0000;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 使用并发方式concurrency();// 使用串行方式serial();}private static void concurrency() throws InterruptedException {long begin = System.nanoTime();// 利用一个线程计算 a 的值Thread thread = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {int a = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {a--;}}});thread.start();// 主线程内计算 b 的值int b = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {b--;}// 等待 thread 线程运行结束thread.join();// 统计耗时long end = System.nanoTime();double ms = (end - begin) * 1.0 / 1000 / 1000;System.out.printf("并发: %f 毫秒%n", ms);}private static void serial() {// 全部在主线程内计算 a、b 的值long begin = System.nanoTime();int a = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {a--;}int b = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {b--;}long end = System.nanoTime();double ms = (end - begin) * 1.0 / 1000 / 1000;System.out.printf("串行: %f 毫秒%n", ms);}
}

结果:
在这里插入图片描述

不是使用了多线程,速度一定提高

  • 多线程更适合于 CPU 密集型的程序,程序需要进行大量计算,使用多线程就可以充分利用 CPU 多核资源,如果计算量不大,主要时间用在创建线程上就得不偿失了。
  • 一个进程的多个线程共享同一份资源,资源是有限的,线程变多,竞争进一步加剧,如果时间很多浪费在竞争资源上,有可能拖慢整体的速度。
  • 多个线程之间到底是并发执行,还是并行执行是不确定的,只有真正的并行执行时,效率才有显著提升。

二. Thread 类

Thread 类是 JVM 用来管理线程的一个类,换句话说,每个线程都有一个唯一的 Thread 对象与之关联。 Thread 类的对象就是用来描述一个线程执行流的,JVM 会将这些 Thread 对象组织起来,用于线程调度,线程管理。

1. 构造方法

在这里插入图片描述

Thread t1 = new Thread();
Thread t2 = new Thread(new MyRunnable());
Thread t3 = new Thread("这是我的名字");
Thread t4 = new Thread(new MyRunnable(), "这是我的名字");

2. 常见属性

在这里插入图片描述

  • ID: 线程的唯一标识,不同线程不会重复
  • 名称: 是各种调试工具用到
  • 状态: 表示线程当前所处的一个情况,下面将会进一步说明
  • 优先级: 优先级高的线程理论上来说更容易被调度到
  • 后台线程: 关于后台线程需要记住:JVM会在一个进程的所有非后台线程结束后,才会结束运行。
  • 是否存活: 即简单的理解,为 run 方法是否运行结束了
  • 线程的中断问题: 下面将进一步说明
    public static void main(String[] args) {// 创建线程Thread thread = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5; i++) {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 我还活着");Thread.sleep(1 * 1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 我即将死去");});// (从 main 线程)获取 thread 线程的参数System.out.println("thread: ID: " + thread.getId());System.out.println("thread: 名称: " + thread.getName());System.out.println("thread: 状态: " + thread.getState());System.out.println("thread: 优先级: " + thread.getPriority());System.out.println("thread: 后台线程: " + thread.isDaemon());System.out.println("thread: 活着: " + thread.isAlive());System.out.println("thread: 被中断: " + thread.isInterrupted());// 启动 thread 线程thread.start();// 循环一直空转,至 thread 线程死亡while (thread.isAlive()) {}// 判断 thread 线程是否还活着System.out.println("thread: 状态: " + thread.getState());}

输出:
在这里插入图片描述

是否为后台线程:

  1. 若是后台线程,不影响程序的退出,前台线程才会影响程序的退出。
    (前台线程通常执行一些重要的任务,而后台线程用于执行一些辅助性的或者周期性的任务,以支持前台线程的工作。)

  2. 我们创建的线程默认是前台进程,所以即使 main 线程执行完毕了,进程也不能退出,需要等待我们创建的线程执行完毕。
    假如我们创建的是后台线程,那么 main 线程执行完毕后,进程直接退出,我们创建的线程即使没有执行完也被强制终止。

是否存活:

  • 调用 start() 之前,run() 方法执行完之后为 isAlive 为 false
  • 调用 start() 之后,run() 方法执行完之前为 isAlive 为 false

注意:Thread t 的生命周期和内核中线程的生命周期并不完全一致:
创建 t 对象后,调用 start() 之前,系统中没有对应的线程,
run() 执行完,系统中的线程销毁了,但 t 对象可能还在。

3. 启动线程-start()

之前我们已经看到了如何通过覆写 run 方法创建一个线程对象,但线程对象被创建出来并不意味着线程就开始运行了。

  • 覆写 run 方法是提供给线程要做的事情的指令清单
  • 而调用 start() 方法,就是喊一声:”行动起来!“,线程才真正独立去执行了。

调用 start 方法, 才真的在操作系统的底层创建出一个线程。
注意:一个线程只能 start 一次

start() 和 run() 的区别

  1. run 单纯的只是一个普通方法,描述了任务的内容,
    start 则是一个特殊的方法,内部会在系统中创建一个线程。
  2. run 只是一个普通的方法,在 main 线程里面调用 run, 并不会创建线程,只是在 main 线程中执行 run 中的代码,既然 run 和其他代码一样都是 在 main 线程中执行的,那么就得按照从前到后的顺序执行代码。

4. 中断线程-interrupt()

注意:中断一个线程,不是让线程立即就停止,只是通知该线程说你该停止了,具体是否真的停止,取决于线程里面代码的写法。(与操作系统里面的中断不一样)

线程一旦进到工作状态,他就会按照行动指南上的步骤(run 方法)去进行工作,不完成是不会结束的。但有时我们需要增加一些机制,例如张三(主线程)让 李四 (新创建的线程)进行转账业务,李四正在工作时,老板突然来电话了,说转账的对方是个骗子,需要赶紧停止转账,那张三该如何通知李四停止呢?这就涉及到我们的停止线程的方式了。

目前常见的有以下两种方式:

  1. 通过共享的标记来进行沟通
  2. 调用 interrupt() 方法来通知

示例-1: 使用自定义的变量来作为标志位.
因为多个线程共用一块空间,所以 多个线程修改的标志位是同一个。
注意需要给标志位上加 volatile 关键字,防止编译器优化为不访问内存,从而感知不到了标志位的变化。

class ThreadDemo {private static class MyRunnable implements Runnable {public volatile boolean isQuit = false;@Overridepublic void run() {while (!isQuit) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 别管我,我忙着转账呢!");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 啊!险些误了大事");}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyRunnable target = new MyRunnable();Thread thread = new Thread(target, "李四");System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 让李四开始转账。");thread.start();Thread.sleep(10 * 1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 老板来电话了,得赶紧通知李四对方是个骗子!");target.isQuit = true;}
}

输出:
在这里插入图片描述

使用共享的标记来进行沟通的话,线程收到通知不及时,比如说线程在休眠,需要等到休眠结束后才能收到通知。

示例-2: 使用 Thread.interrupted() 或者 Thread.currentThread().isInterrupted() 代替自定义标志位.
(Thread 内部包含了一个 boolean 类型的变量作为线程是否被中断的标记. )

在这里插入图片描述

  • 使用 thread 对象的 interrupt() 方法通知线程结束.
    (interrupt() 方法只是设置了一个标志位,具体要不要中断,还要被中断线程的配合,还是取决于被中断线程决定是否中断。)
class ThreadDemo {private static class MyRunnable implements Runnable {@Overridepublic void run() {// 两种方法均可以while (!Thread.interrupted()) {
//                while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 别管我,我忙着转账呢!");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 有内鬼,终止交易!");// 注意此处的 breakbreak;}}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 啊!险些误了大事");}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyRunnable target = new MyRunnable();Thread thread = new Thread(target, "李四");System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 让李四开始转账。");thread.start();Thread.sleep(10 * 1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 老板来电话了,得赶紧通知李四对方是个骗子!");thread.interrupt();}
}

thread 收到通知的方式有两种:

  1. 如果线程因为调用 wait/join/sleep 等方法而阻塞挂起,则以 InterruptedException 异常的形式通知,清除中断标志,也就是说 中断标志位为 false
  • 当出现 InterruptedException 的时候, 要不要结束线程取决于 catch 中代码的写法. 可以选择忽略这个异常, 也可以跳出循环结束线程.
  1. 否则,只是内部的一个中断标志被设置,thread 可以通过
  • Thread.interrupted() 判断当前线程的中断标志被设置,清除中断标志
  • Thread.currentThread().isInterrupted() 判断指定线程的中断标志被设置,不清除中断标志

使用 interrupt() 这种方式通知收到的更及时,即使线程正在 sleep 也可以马上收到,但是如果是自己使用的标志位的话,线程不能及时收到中断通知。

示例-3: 观察标志位是否清除

标志位是否清除, 就类似于一个开关.

  • Thread.isInterrupted() 相当于按下开关, 开关自动弹起来了. 这个称为 “清除标志位”
  • Thread.currentThread().isInterrupted() 相当于按下开关之后, 开关弹不起来, 这个称为 “不清除标志位”.

使用 Thread.isInterrupted() , 线程中断会清除标志位.
观察源码可以发现, Thread.isInterrupted() 内部实际上是调用了 Thread.currentThread().isInterrupted() 只不过参数传了一个 true, 代表清除标志位。

class ThreadDemo {private static class MyRunnable implements Runnable {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println(Thread.interrupted());}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyRunnable target = new MyRunnable();Thread thread = new Thread(target, "李四");thread.start();thread.interrupt();}
}

在这里插入图片描述
使用 Thread.currentThread().isInterrupted() , 线程中断标记位不会清除.

class ThreadDemo {private static class MyRunnable implements Runnable {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().isInterrupted());}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyRunnable target = new MyRunnable();Thread thread = new Thread(target, "李四");thread.start();thread.interrupt();}
}

在这里插入图片描述

为什么一个清除,一个不清除?它们都用于什么场景 ?

Thread.interrupted() 清除标志位是为了下次继续检测标志位。如果一个线程被设置中断标志后,选择结束线程那么自然不存在下次的问题,而如果一个线程被设置中断标识后,进行了一些处理后选择继续进行任务,而且这个任务也是需要被中断的,那么当然需要清除标志位了。重新设置为 false, 这样就可以下次继续检测标志位。

5. 线程等待-join()

线程等待主要是为了控制线程结束的先后顺序。
有时,我们需要等待一个线程完成它的工作后,才能进行自己的下一步工作。例如,张三只有等李四转账成功,才决定是否存钱,这时我们需要一个方法明确等待线程的结束。

在这里插入图片描述

class ThreadDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Runnable target = () -> {for (int i = 0; i < 4; i++) {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 我还在工作!");Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 我结束了!");};Thread thread1 = new Thread(target, "李四");Thread thread2 = new Thread(target, "王五");System.out.println("先让李四开始工作");thread1.start();// 这行代码是在 main 线程中调用的,所以是 main 线程等待 thread1 线程结束,main 线程才能继续往下执行thread1.join();System.out.println("李四工作结束了,让王五开始工作");thread2.start();// 同理,这行代码是在 main 线程中调用的,所以是 main 线程等待 thread2 线程结束,main 线程才能继续往下执行下面的打印代码thread2.join();System.out.println("王五工作结束了");}
}

在这里插入图片描述

当把 join 方法注释掉:

class ThreadDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Runnable target = () -> {for (int i = 0; i < 4; i++) {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 我还在工作!");Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 我结束了!");};Thread thread1 = new Thread(target, "李四");Thread thread2 = new Thread(target, "王五");System.out.println("先让李四开始工作");thread1.start();
//        thread1.join();System.out.println("李四工作结束了,让王五开始工作");thread2.start();
//        thread2.join();System.out.println("王五工作结束了");}
}

在这里插入图片描述

6. 线程休眠-sleep()

有一点要记得,因为线程的调度是不可控的,所以,这个方法只能保证实际休眠时间是大于等于参数设置的休眠时间的。

在这里插入图片描述

class ThreadDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {System.out.println(System.currentTimeMillis());Thread.sleep(3 * 1000);System.out.println(System.currentTimeMillis());}
}

Thread.sleep(3 * 1000) 并不是 3s 后就上 CPU 执行 , 而是 3s 内上不了 CPU , 因为 sleep 就被放到阻塞队列里面了,休眠完成后被放入到就绪队列中,而就绪队列中不只 你这一个线程,而是多个线程都是就绪状态,等着上 CPU 执行。
在这里插入图片描述

线程休眠实质上就是将线程放到阻塞队列中。所以休眠是阻塞的一种,会释放 CPU(持有锁的话,并不会释放锁)。

7. 获取当前线程引用

在这里插入图片描述
注意,在哪个线程里面调用 Thread.currentThread() 得到的就是哪个线程
在 main 线程中调用:

class ThreadDemo {public static void main(String[] args) {// 注意,在哪个线程里面调用 Thread.currentThread() 得到的就是哪个线程Thread thread = Thread.currentThread();System.out.println(thread.getName());}
}

在这里插入图片描述

在创建出来的其他线程中调用:

class ThreadDemo {public static void main(String[] args) {// 注意,在哪个线程里面调用 Thread.currentThread() 得到的就是哪个线程Thread thread = new Thread(()->{// 这个是在 创建出来的线程里面调用的System.out.println(Thread.currentThread().getName());});thread.start();}
}

在这里插入图片描述

三. 线程的状态

1. 观察线程的所有状态

线程的状态是一个枚举类型 Thread.State

class ThreadState {public static void main(String[] args) {for (Thread.State state : Thread.State.values()) {System.out.println(state);}}
}

输出:
在这里插入图片描述

  • NEW: 安排了工作, 还未开始行动
  • RUNNABLE: 可工作的. 又可以分成正在工作中和即将开始工作.
  • BLOCKED: 表示排队等着其他事情,比如等待锁 (阻塞状态)
  • WAITING: 这几个都表示排队等着其他事情(阻塞状态)
  • TIMED_WAITING: 这几个都表示排队等着其他事情(阻塞状态)
  • TERMINATED: 工作完成了.

为什么要这么细分 ?
因为开发过程中经常遇到程序卡死的情况,分析卡死的原因时,我们可以查看各个线程的状态,从而定位问题。

2. 线程状态和状态转移的意义

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

还是之前的例子:

  • 刚把李四、王五找来,还是给他们在安排任务,没让他们行动起来,就是 NEW 状态;

  • 当李四、王五开始去窗口排队,等待服务,就进入到 RUNNABLE 状态。该状态并不表示已经被银行工作人员开始接待,排在队伍中也是属于该状态,即可被服务的状态,是否开始服务,则看调度器的调度;

  • 当李四、王五因为一些事情需要去忙,例如需要填写信息、回家取证件、发呆一会等等时,进入 BLOCKED 、 WATING 、 TIMED_WAITING 状态;

  • 如果李四、王五已经忙完,为 TERMINATED 状态。

所以,之前我们学过的 isAlive() 方法,可以认为是处于不是 NEW 和 TERMINATED 的状态都是活着的。

3. 观察线程的状态和转移

  1. 观察 1: 关注 NEW 、 RUNNABLE 、 TERMINATED 状态的转换
  • 使用 isAlive 方法判定线程的存活状态.
class ThreadStateTransfer {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1000_0000; i++) {}}, "李四");System.out.println(t.getName() + ": " + t.getState()); // NEWt.start();while (t.isAlive()) {System.out.println(t.getName() + ": " + t.getState()); // RUNNABLE}System.out.println(t.getName() + ": " + t.getState()); // TERMINATED}
}
  1. 观察 2: 关注 WAITING 、 BLOCKED 、 TIMED_WAITING 状态的转换
class ThreadStateTransfer {public static void main(String[] args) {final Object object = new Object();Thread t1 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (object) {while (true) {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}}, "t1");t1.start();Thread t2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (object) {System.out.println("hehe");}}}, "t2");t2.start();}
}

通过 jconsole 可以看出 t1 是 TIMED_WAITING,t2 是 BLOCKED
t1:

在这里插入图片描述
t2:

在这里插入图片描述

修改上面的代码, 把 t1 中的 sleep 换成 wait:

class ThreadStateTransfer {public static void main(String[] args) {final Object object = new Object();Thread t1 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (object) {while (true) {try {// [修改这里就可以了!!!!!]// Thread.sleep(1000);object.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}}, "t1");t1.start();Thread t2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (object) {System.out.println("hehe");}}}, "t2");t2.start();}
}

使用 jconsole 可以看到 t1 的状态是 WAITING
在这里插入图片描述

结论:

  • BLOCKED 表示等待获取锁, WAITING 和 TIMED_WAITING 表示等待其他线程发来通知.
  • TIMED_WAITING 线程在等待唤醒,但设置了时限; WAITING 线程在无限等待唤醒
  1. 观察-3: yield() 大公无私,让出 CPU
class ThreadStateTransfer {public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {while (true) {System.out.println("张三");
//                     先注释掉, 再放开
//                     Thread.yield();}}}, "t1");t1.start();Thread t2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {while (true) {System.out.println("李四");}}}, "t2");t2.start();}
}

可以看到:

  1. 不使用 yield 的时候, 张三李四大概五五开
  2. 使用 yield 时, 张三的数量远远少于李四

结论:
yield 不改变线程的状态, 但是会重新去排队.

好啦! 以上就是对 Thread 类的 详细讲解 !希望能帮到你 !
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