Java多線程編程：實現并發處理的高效利器

作者：Stevedash

發表于：2023年8月13日 20點45分

來源：Java 多線程編程 | 菜鳥教程 (runoob.com)

? 在計算機領域，多線程編程是一項重要的技術，可以使程序同時執行多個任務，充分利用計算資源，提高系統的性能和響應能力。Java作為一門廣泛應用的編程語言，提供了豐富的多線程編程支持，使得開發人員可以輕松實現并發處理。本篇博客將向您介紹Java多線程編程的基本概念、創建線程的方式、線程同步和線程通信等內容，同時還會涉及到線程的生命周期、線程的優先級和線程的常用方法。

多線程編程的優勢

? 多線程編程在提高程序性能、資源利用率和響應速度方面具有明顯的優勢。通過充分利用多核處理器，可以在同一時刻處理多個任務，提高系統的整體吞吐量。此外，多線程還可以用于實現一些需要并發執行的場景，如并發請求處理、數據采集、實時計算等。

創建線程的方式

Java多線程編程有三種常見的方式來創建線程：

繼承Thread類： 創建一個類繼承Thread類，并重寫run()方法來定義線程要執行的任務。
實現Runnable接口： 創建一個實現Runnable接口的類，并實現run()方法，然后通過Thread類的構造方法創建線程對象。
實現Callable接口： 創建一個實現Callable接口的類，并實現call()方法，可以獲取線程執行后的返回值。

? 每種方式都有其特點，選擇合適的方式取決于具體需求。使用繼承Thread類的方式編寫簡單，但由于Java不支持多重繼承，可能限制了其他類的繼承。而實現Runnable或Callable接口的方式可以更靈活地管理線程。

線程的生命周期

線程是一個動態執行的過程，它也有一個從產生到死亡的過程。

下圖顯示了一個線程完整的生命周期。

線程的生命周期可以分為以下幾個階段：

新建狀態（New）： 使用 new 關鍵字和 Thread 類或其子類建立一個線程對象后，該線程對象就處于新建狀態。它保持這個狀態直到程序 start() 這個線程。
就緒狀態（Runnable）： 當調用線程的start()方法后，線程進入就緒狀態，就緒狀態的線程處于就緒隊列中，要等待JVM里線程調度器的調度，等待獲取CPU時間片執行。
運行狀態（Running）： 如果就緒狀態的線程獲取 CPU 資源，就可以執行 run()，此時線程便處于運行狀態。處于運行狀態的線程最為復雜，它可以變為阻塞狀態、就緒狀態和死亡狀態。
阻塞狀態（Blocked）： **如果一個線程執行了sleep（睡眠）、suspend（掛起）等方法，失去所占用資源之后，該線程就從運行狀態進入阻塞狀態。**在睡眠時間已到或獲得設備資源后可以重新進入就緒狀態。可以分為三種：
- 等待阻塞：運行狀態中的線程執行 wait() 方法，使線程進入到等待阻塞狀態。
- 同步阻塞：線程在獲取 synchronized 同步鎖失敗(因為同步鎖被其他線程占用)。
- 其他阻塞：通過調用線程的 sleep() 或 join() 發出了 I/O 請求時，線程就會進入到阻塞狀態。當sleep() 狀態超時，join() 等待線程終止或超時，或者 I/O 處理完畢，線程重新轉入就緒狀態。
死亡狀態:（Terminated）： 一個運行狀態的線程完成任務或者其他終止條件發生時，又或者當線程的run()方法執行完畢，線程進入終止狀態。

線程的優先級

每個線程都有一個優先級，用于指示線程在競爭CPU時間片時的優先順序。線程的優先級分為1到10，其中1為最低優先級，10為最高優先級。可以使用setPriority()方法設置線程的優先級，但并不能保證優先級高的線程一定會先執行。**默認情況下，每一個線程都會分配一個優先級 NORM_PRIORITY（5）。**具有較高優先級的線程對程序更重要，并且應該在低優先級的線程之前分配處理器資源。但是，線程優先級不能保證線程執行的順序，而且非常依賴于平臺。

線程的常用方法

Java提供了一些常用的線程方法，用于管理線程的執行和狀態：

start()： 啟動線程，使其進入就緒狀態。
join()： 等待線程執行完畢。
sleep()： 使線程休眠一段時間。
yield()： 讓出CPU時間片，讓其他線程執行。
isAlive()： 判斷線程是否還存活。

示例代碼

以下是一個簡單的Java程序，演示了如何創建并啟動多個線程，并使用線程的優先級和常用方法：

public class MultiThreadDemo {public static void main(String[] args) {Thread thread1 = new Thread(new MyRunnable("Thread 1"));Thread thread2 = new Thread(new MyRunnable("Thread 2"));thread1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);thread2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);thread1.start();thread2.start();try {thread1.join(); // 等待thread1執行完畢thread2.join(); // 等待thread2執行完畢} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("主線程結束");}//實現Runnable接口創建線程static class MyRunnable implements Runnable {private String name;public MyRunnable(String name) {this.name = name;}//通過Callable接口和Future創建線程static class MyCallable implements Callable<Integer> {private String name;public MyCallable(String name) {this.name = name;}@Overridepublic Integer call() throws Exception{//...return Integer;}//繼承Thread類創建線程  三選一static class MyThread extends Thread{private String name;public MyCallable(String name) {this.name = name;}}//必須要重寫run方法@Overridepublic void run() {for (int i = 1; i <= 5; i++) {System.out.println(name + ": " + i);try {Thread.sleep(1000); // 休眠1秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}
}

下面是Thread 方法

下表列出了Thread類的一些重要方法：

序號	方法描述
1	public void start() 使該線程開始執行；Java 虛擬機調用該線程的 run 方法。
2	public void run() 如果該線程是使用獨立的 Runnable 運行對象構造的，則調用該 Runnable 對象的 run 方法；否則，該方法不執行任何操作并返回。
3	public final void setName(String name) 改變線程名稱，使之與參數 name 相同。
4	public final void setPriority(int priority) 更改線程的優先級。
5	public final void setDaemon(boolean on) 將該線程標記為守護線程或用戶線程。
6	public final void join(long millisec) 等待該線程終止的時間最長為 millis 毫秒。
7	public void interrupt() 中斷線程。
8	public final boolean isAlive() 測試線程是否處于活動狀態。

上述方法是被 Thread 對象調用的，下面表格的方法是 Thread 類的靜態方法。

序號	方法描述
1	public static void yield() 暫停當前正在執行的線程對象，并執行其他線程。
2	public static void sleep(long millisec) 在指定的毫秒數內讓當前正在執行的線程休眠（暫停執行），此操作受到系統計時器和調度程序精度和準確性的影響。
3	public static boolean holdsLock(Object x) 當且僅當當前線程在指定的對象上保持監視器鎖時，才返回 true。
4	public static Thread currentThread() 返回對當前正在執行的線程對象的引用。
5	public static void dumpStack() 將當前線程的堆棧跟蹤打印至標準錯誤流。

重點了解一下SetDeamon()標記成守護線程或者用戶線程

基本概念：

? 守護線程（Daemon Thread）是一種在后臺運行的線程，它的存在不會阻止程序的終止。與之相對，用戶線程（User Thread）是主要用于執行應用程序邏輯的線程，“如果所有的用戶線程都執行完畢，JVM 就會退出，而不管守護線程是否還在運行。”

? 在 Java 中，我們可以通過 setDaemon(true) 方法將一個線程設置為守護線程。**默認情況下，線程都是用戶線程，不會影響程序的終止。**如果想要使用守護線程，可以在創建線程后調用 setDaemon(true) 來設置它為守護線程。

守護線程的主要作用有以下幾點：

后臺任務執行： 守護線程通常用于執行一些不需要持續運行的后臺任務，如垃圾回收（Garbage Collection）、內存管理等。通過將這些任務放在守護線程中，可以在主要任務執行完畢后，自動進行清理等工作，提高系統的整體性能和資源利用率。
資源管理： 守護線程可以用于監控和管理一些資源，如數據庫連接池、網絡連接等。當用戶線程都結束時，守護線程可以負責關閉這些資源，防止資源泄露和浪費。
周期性任務： 守護線程還可以用于執行周期性的任務，如定時器任務。這些任務可以在“后臺周期性地執行，而不影響主要業務邏輯的進行。”

? PS（這很重要基本上就是守護線程的重點）：守護線程在程序終止時會突然中斷，因此不應該在它們的代碼中進行需要確保完整性的操作。另外，守護線程不應該依賴于特定的執行順序，因為它們的執行可能會受到系統資源調度的影響。

三種創建線程的方式對比

繼承 Thread 類：
- 創建線程的方式之一是繼承 Thread 類，并重寫 run 方法來定義線程的任務邏輯。
- 優點：簡單，不需要額外的類來實現接口。
- 缺點：由于 Java 不支持多繼承，因此如果已經繼承了其他類，則無法再使用這種方式創建線程。
- 示例代碼：
```
class MyThread extends Thread {public void run() {// 線程執行的任務邏輯}
}public class ThreadExample {public static void main(String[] args) {MyThread thread = new MyThread();thread.start();}
}
```
實現 Runnable 接口：
- 另一種創建線程的方式是實現 Runnable 接口，并將實現類的實例傳遞給 Thread 類的構造函數。
- 優點：可以避免繼承單一父類的限制，同時更靈活，可以實現多個接口。
- 缺點：相對于繼承 Thread 類，需要額外的類來實現接口。
- 示例代碼：
```
class MyRunnable implements Runnable {public void run() {// 線程執行的任務邏輯}
}public class RunnableExample {public static void main(String[] args) {Thread thread = new Thread(new MyRunnable());thread.start();}
}
```

使用 Callable 和 Future：

使用 Callable 接口可以創建一個帶有返回結果的任務。Future 接口可以用于獲取任務的執行結果。
優點：可以獲取任務的返回結果，能夠捕獲任務拋出的異常。
示例代碼：

import java.util.concurrent.*;class MyCallable implements Callable<Integer> {public Integer call() throws Exception {// 線程執行的任務邏輯return 42;}
}public class CallableExample {public static void main(String[] args) {ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();Future<Integer> future = executor.submit(new MyCallable());try {int result = future.get();System.out.println("任務執行結果：" + result);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {executor.shutdown();}}
}

三種創建線程方式對比小結：

采用實現 Runnable、Callable 接口的方式創建多線程時，線程類只是實現了 Runnable 接口或 Callable 接口，還可以繼承其他類。
使用繼承 Thread 類的方式創建多線程時，編寫簡單，如果需要訪問當前線程，則無需使用 Thread.currentThread() 方法，直接使用 this 即可獲得當前線程。
繼承 Thread 類和實現 Runnable 接口是最基本的方式，而使用 Callable 和 Future 可以獲得更多的控制和返回結果的能力。