java 基础教程之多线程详解及简单实例

java 多线程详解

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。

　　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：

1. 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。
2. 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”。
3. 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：

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：

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：

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：

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：

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：

1. 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。
2. 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。

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：

1. 创建：已经有thread实例了， 但是cpu还有为其分配资源和时间片。
2. 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。
3. 运行：线程位于当前cpu时间片中，正在执行相关逻辑。
4. 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。
5. 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。
6. 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：

1. thread()或者thread(runnable)：构造线程。
2. thread.start：启动线程。
3. thread.sleep：将线程切换至休眠状态。
4. thread.interrupt：中断线程的执行。
5. thread.join：等待某线程结束。
6. thread.yield：剥夺线程在cpu上的执行时间片，等待下一次调度。
7. object.wait：将object上所有线程锁定，直到notify方法才继续运行。
8. object.notify：随机唤醒object上的1个线程。
9. 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

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。

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。

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。

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();
}

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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