基于Java回顧之多線程詳解

更新時間：2013年05月08日 10:00:18 作者：

在這篇文章里，我們關注多線程。多線程是一個復雜的話題，包含了很多內容，這篇文章主要關注線程的基本屬性、如何創(chuàng)建線程、線程的狀態(tài)切換以及線程通信，我們把線程同步的話題留到下一篇文章中

線程是操作系統(tǒng)運行的基本單位，它被封裝在進程中，一個進程可以包含多個線程。即使我們不手動創(chuàng)造線程，進程也會有一個默認的線程在運行。

對于JVM來說，當我們編寫一個單線程的程序去運行時，JVM中也是有至少兩個線程在運行，一個是我們創(chuàng)建的程序，一個是垃圾回收。

線程基本信息

我們可以通過Thread.currentThread()方法獲取當前線程的一些信息，并對其進行修改。

我們來看以下代碼：

查看并修改當前線程的屬性
 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);

其中列出的屬性說明如下：

    GroupName，每個線程都會默認在一個線程組里，我們也可以顯式的創(chuàng)建線程組，一個線程組中也可以包含子線程組，這樣線程和線程組，就構成了一個樹狀結構。

    Name，每個線程都會有一個名字，如果不顯式指定，那么名字的規(guī)則是“Thread-xxx”。

    Priority，每個線程都會有自己的優(yōu)先級，JVM對優(yōu)先級的處理方式是“搶占式”的。當JVM發(fā)現(xiàn)優(yōu)先級高的線程時，馬上運行該線程；對于多個優(yōu)先級相等的線程，JVM對其進行輪詢處理。Java的線程優(yōu)先級從1到10，默認是5，Thread類定義了2個常量：MIN_PRIORITY和MAX_PRIORITY來表示最高和最低優(yōu)先級。

    我們可以看下面的代碼，它定義了兩個不同優(yōu)先級的線程：

復制代碼代碼如下:

線程優(yōu)先級示例
 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();
 }

從運行結果可以看出，是高優(yōu)先級線程運行完成后，低優(yōu)先級線程才運行。
isDaemon，這個屬性用來控制父子線程的關系，如果設置為true，當父線程結束后，其下所有子線程也結束，反之，子線程的生命周期不受父線程影響。
我們來看下面的例子：

復制代碼代碼如下:

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();
 }

上面代碼的運行結果，在和刪除subThread.setDaemon(true);后對比，可以發(fā)現(xiàn)后者運行過程中子線程會完成執(zhí)行后再結束，而前者中，子線程很快就結束了。

如何創(chuàng)建線程

上面的內容，都是演示默認線程中的一些信息，那么應該如何創(chuàng)建線程呢？在Java中，我們有3種方式可以用來創(chuàng)建線程。

Java中的線程要么繼承Thread類，要么實現(xiàn)Runnable接口，我們一一道來。

使用內部類來創(chuàng)建線程

我們可以使用內部類的方式來創(chuàng)建線程，過程是聲明一個Thread類型的變量，并重寫run方法。示例代碼如下：

復制代碼代碼如下:

使用內部類創(chuàng)建線程
 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();
 }

繼承Thread以創(chuàng)建線程

我們可以從Thread中派生一個類，重寫其run方法，這種方式和上面相似。示例代碼如下：

復制代碼代碼如下:

派生Thread類以創(chuàng)建線程
 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();
 }

實現(xiàn)Runnable接口以創(chuàng)建線程

我們可以定義一個類，使其實現(xiàn)Runnable接口，然后將該類的實例作為構建Thread變量構造函數(shù)的參數(shù)。示例代碼如下：

復制代碼代碼如下:

實現(xiàn)Runnable接口以創(chuàng)建線程
 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種方式都可以創(chuàng)建線程，而且從示例代碼上看，線程執(zhí)行的功能是一樣的，那么這三種創(chuàng)建方式有什么不同呢？

這涉及到Java中多線程的運行模式，對于Java來說，多線程在運行時，有“多對象多線程”和“單對象多線程”的區(qū)別：

多對象多線程，程序在運行過程中創(chuàng)建多個線程對象，每個對象上運行一個線程。
單對象多線程，程序在運行過程中創(chuàng)建一個線程對象，在其上運行多個線程。

顯然，從線程同步和調度的角度來看，多對象多線程要簡單一些。上述3種線程創(chuàng)建方式，前兩種都屬于“多對象多線程”，第三種既可以使用“多對象多線程”，也可以使用“單對象單線程”。

我們來看下面的示例代碼，里面會用到Object.notify方法，這個方法會喚醒對象上的一個線程；而Object.notifyAll方法，則會喚醒對象上的所有線程。

復制代碼代碼如下:

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 + "個線程準備休眠5分鐘。");
         try
         {
             synchronized(this)
             {
                 this.wait(5*60*1000);
             }
         }
         catch(InterruptedException ex)
         {
             ex.printStackTrace();
         }
         System.out.println("第" + id + "個線程被喚醒。");
     }
 }

 class MyRunner implements Runnable
 {
     public int id = 0;
     public void run() 
     {
         System.out.println("第" + id + "個線程準備休眠5分鐘。");
         try
         {
             synchronized(this)
             {
                 this.wait(5*60*1000);
             }
         }
         catch(InterruptedException ex)
         {
             ex.printStackTrace();
         }
         System.out.println("第" + id + "個線程被喚醒。");
     }

 }

示例代碼中，notifyTest()和notifyTest2()是“多對象多線程”，盡管notifyTest2()中的線程實現(xiàn)了Runnable接口，但是它里面定義Thread數(shù)組時，每個元素都使用了一個新的Runnable實例。notifyTest3()屬于“單對象多線程”，因為我們只定義了一個Runnable實例，所有的線程都會使用這個實例。

notifyAll方法適用于“單對象多線程”的情景，因為notify方法只會隨機喚醒對象上的一個線程。

線程的狀態(tài)切換

對于線程來講，從我們創(chuàng)建它一直到線程運行結束，在這個過程中，線程的狀態(tài)可能是這樣的：

    創(chuàng)建：已經有Thread實例了，但是CPU還有為其分配資源和時間片。
    就緒：線程已經獲得了運行所需的所有資源，只等CPU進行時間調度。
    運行：線程位于當前CPU時間片中，正在執(zhí)行相關邏輯。
    休眠：一般是調用Thread.sleep后的狀態(tài)，這時線程依然持有運行所需的各種資源，但是不會被CPU調度。
    掛起：一般是調用Thread.suspend后的狀態(tài)，和休眠類似，CPU不會調度該線程，不同的是，這種狀態(tài)下，線程會釋放所有資源。
    死亡：線程運行結束或者調用了Thread.stop方法。

下面我們來演示如何進行線程狀態(tài)切換，首先我們會用到下面方法：

    Thread()或者Thread(Runnable)：構造線程。
    Thread.start：啟動線程。
    Thread.sleep：將線程切換至休眠狀態(tài)。
    Thread.interrupt：中斷線程的執(zhí)行。
    Thread.join：等待某線程結束。
    Thread.yield：剝奪線程在CPU上的執(zhí)行時間片，等待下一次調度。
    Object.wait：將Object上所有線程鎖定，直到notify方法才繼續(xù)運行。
    Object.notify：隨機喚醒Object上的1個線程。
    Object.notifyAll：喚醒Object上的所有線程。

下面，就是演示時間啦?。?！

線程等待與喚醒

這里主要使用Object.wait和Object.notify方法，請參見上面的notify實例。需要注意的是，wait和notify都必須針對同一個對象，當我們使用實現(xiàn)Runnable接口的方式來創(chuàng)建線程時，應該是在Runnable對象而非Thread對象上使用這兩個方法。

線程的休眠與喚醒

復制代碼代碼如下:

Thread.sleep實例
 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("線程 " + Thread.currentThread().getName() + "將要休眠5分鐘。");
                 try
                 {
                     Thread.sleep(5*60*1000);
                 }
                 catch(InterruptedException ex)
                 {
                     System.out.println("線程 " + Thread.currentThread().getName() + "休眠被中斷。");
                 }
                 System.out.println("線程 " + Thread.currentThread().getName() + "休眠結束。");
             }
         };
         thread.setDaemon(true);
         thread.start();
         Thread.sleep(500);
         thread.interrupt();
     }

 }

線程在休眠過程中，我們可以使用Thread.interrupt將其喚醒，這時線程會拋出InterruptedException。

線程的終止

雖然有Thread.stop方法，但該方法是不被推薦使用的，我們可以利用上面休眠與喚醒的機制，讓線程在處理IterruptedException時，結束線程。

復制代碼代碼如下:

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("線程運行中。");
                 try
                 {
                     Thread.sleep(1*60*1000);
                 }
                 catch(InterruptedException ex)
                 {
                     System.out.println("線程中斷，結束線程");
                     return;
                 }
                 System.out.println("線程正常結束。");
             }
         };
         thread.start();
         Thread.sleep(500);
         thread.interrupt();
     }
 }

線程的同步等待

當我們在主線程中創(chuàng)建了10個子線程，然后我們期望10個子線程全部結束后，主線程在執(zhí)行接下來的邏輯，這時，就該Thread.join登場了。

復制代碼代碼如下:

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("線程在運行。");
                         Thread.sleep(1000);
                     }
                 }
                 catch(InterruptedException ex)
                 {
                     ex.printStackTrace();
                 }
             }
         };
         thread.setDaemon(true);
         thread.start();
         Thread.sleep(1000);
         thread.join();
         System.out.println("主線程正常結束。");
     }
 }

我們可以試著將thread.join();注釋或者刪除，再次運行程序，就可以發(fā)現(xiàn)不同了。

線程間通信

我們知道，一個進程下面的所有線程是共享內存空間的，那么我們如何在不同的線程之間傳遞消息呢？在回顧 Java I/O時，我們談到了PipedStream和PipedReader，這里，就是它們發(fā)揮作用的地方了。

下面的兩個示例，功能完全一樣，不同的是一個使用Stream，一個使用Reader/Writer。

復制代碼代碼如下:

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();
 }

復制代碼代碼如下:

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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