JavaSE——多线程基础

概述

现代操作系统（Windows，macOS，Linux）都可以执行多任务。多任务就是同时允许多个任务。例如：播放音乐的同时，浏览器可以进行文件下载，同时可以进行QQ消息的收发。

CPU执行代码都是一条一条顺序执行的，但是，即使是单核CPU，也可以同时运行多个任务。因为操作系统执行多任务实际上就是让CPU对多个任务轮流交替执行。

操作系统轮流让多个任务交替执行，例如，让浏览器执行0.001秒，让QQ执行0.001秒，再让音乐播放器执行0.001秒。在用户使用的体验来看，CPU就是在同时执行多个任务。

1. 进程与线程

1.1 什么是程序？

程序是含有指令和数据的文件，被存储在磁盘或其他的数据存储设备中，可以理解为程序是包含静态代码的文件。例如：浏览器文件、音乐播放器软件等软件的安装目录和文件。

1.2 什么是进程？

进程是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位。在Windows系统中，每一个正在执行的exe文件或后台服务，都是一个进程，由操作系统同意管理并分配资源，因此进程是动态的。例如：正在允许中的浏览器就是一个进程，正在允许中的音乐播放器是另一个进程，同理，正在允许中的QQ和WPS等都是进程。

操作系统运行一个程序，即是一个进程从创建，运行到消亡的过程。简单来说，一个进程就是一个执行中的程序，它在计算机中一个指令接着一个指令地执行，同时，每个进程还占有某些系统资源如CPU时间，内存空间、文件，输入输出设备的使用权等。

1.3 什么是线程？

某些进程内部还需要同时执行多个子程序。例如，我们在使用WPS时，WPS可以让我们一边打字，一边进行拼写检查，同时还可以在后台自动保存和上传云文档，我们把子任务称为线程。线程进程划分成更小的运行单位。

进程和线程的关系就是：一个进程可以包含一个或多个线程，但至少或有一个主线程。

                        ┌──────────┐│Process   ││┌────────┐│┌──────────┐││ Thread ││┌──────────┐│Process   ││└────────┘││Process   ││┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
┌──────────┐││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│Process   ││└────────┘││└────────┘││└────────┘│
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘││└────────┘│
└──────────┘└──────────┘└──────────┘└──────────┘
┌──────────────────────────────────────────────┐
│               Operating System               │
└──────────────────────────────────────────────┘

例如，我们启动JVM运行一个Java程序，其实就是启动了一个JVM的进程。在JVM进程中，又包含了main主线程、Reference Handler 清理线程、FInalizer线程（用于调用对象的finalizer()方法）等线程。

线程是一个比进程更小的执行单位（CPU的最小执行单位）。一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。与进程不同的是，同类的多个线程共享同一块内存空间很一组系统资源，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多。

1.4 进程与线程的区别

根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是处理器任务调度和执行的基本单位；
资源开销：每个进程都有独立的代码副本和数据空间，进程之间的切换，资源开销较大；线程可以看作轻量级的进程，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器，线程之间切换，资源开销小。
包含关系：一个进程内包换多个线程，在执行过程，线程的执行不是线性串行的，而是多条线程并行共同完成；
内存分配：同一个进程内的所有线程共享本进程的内存空间和资源；进程之间的内存空间和资源相互独立；
影响关系：一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响；一个线程崩溃，对导致整个进程退出。所以多进程要比多线程健壮。
执行过程：每个独立的进程有程序运行的入口和程序出口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序（进程）中，有应用程序提供多个线程执行控制。

1.5 JVM进程

JVM进程的内存区域分配

JVM进程启动时，自动创建Heap（堆区）和Metaspace（元空间，JDK1.8以前叫Method Area方法区）；
多个线程共享JVM进程的Heap（堆区）和Metaspace（元空间）资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，因此，线程也被称为轻量级进程。

JVM进程由哪些线程组成？

public class Main {public static void main(String[] args) {// 获取 Java 线程管理对象 ThreadMXBeanThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();// 不需要获取的锁监视器 lockedMonitor 和 synchronizer 信息// 仅获取线程和线程信息ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false);// 遍历线程信息，仅打印线程 ID 和线程名称信息for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "] " + threadInfo.getThreadName());}}
}

2. 线程基本概念

单线程：单线程就是进程中只有一个线程。单线程在程序执行时，所走的程序路径按照连续顺序排下来，前面碧玺处理好，后面的才会执行。

punlic class SingleThread{public static void main(String[] args){for(int i = 0; i <= 100000; i++){System.out.print( i + " " );}}}

多线程：由一个以上的线程组成的程序称为多线程程序。Java中，一定是从主线程开始执行（main方法），然后在主线程的某个位置创建并启动新的线程

public class MultiThread {public static void main(String[] args) {// 创建2个线程Thread t1 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {System.out.println("线程1：" + i + " ");}}});Thread t2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {System.out.println("线程2：" + i + " ");}}});// 启动2个线程t1.start();t2.start();}
}

4.线程的创建与启动

通过创建Thread实例，完成线程的创建。
- 线程的内部实现可以通过继承Thread类、实现Runnable接口等方式进行封装
通过调用Thread实例的start()方法启动新线程
查看Thread类的源代码，会看到start()方法内部调用了一个private native void start0()方法，native修饰符表示这个方法是由JVM虚拟机内部的c代码实现的本地方法，由JVM根据当前操作系统进行本地实现。

public class Main {public static void main(String[] args) {// Step1: main主线程执行输出System.out.println("main start...");// Step2: main主线程，创建子线程sub，输出字母A-ZThread sub = new Thread() {// Step4：子线程被执行时，自动调用run()方法public void run() {for(char c='A';c<='Z';c++){System.out.println("子线程:" + c);}}};// Step3: main主线程，启动子线程subsub.start();// Step4: main主线程执行输出字母的ASCII码for(int c ='a';c<='z';c++){System.out.println("main线程:" + c);}System.out.println("main end...");}
}

Step1：main主线程执行输出
Step2：main主线程，创建子线程
Step3：main主线程，启动子线程
Step4：main主线程与子线程同时运行，由操作系统调度，程序本身无法确定线程的调度顺序
- 同时，main主线程执行输出
- 同时，子线程被执行时，自动调用run()方法
注意：直接调用Thread实例的run()方法是无效的，因为直接调用run()方法，相当于直接调用了一个普通的Java方法，当前线程并没有任何改变，也不会启动新线程。

public class Main {public static void main(String[] args) {Thread t = new MyThread();t.run();System.out.println("再执行main主线程");}
}class MyThread extends Thread {public void run() {System.out.println("先执行子线程");}
}

5. 线程的创建方式

5. 1 方式一：继承 java.lang.Thread 类（线程子类）

// 线程子类
public class SubThread extends Thread {public void run() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {System.out.println("子线程" + i + " ");}}
}// 主线程main
public class MultiThread {public static void main(String[] args) {//创建并启动子线程SubThread thd = new SubThread();thd.start();//主线程继续同时向下执行for (int i = 0; i < 10000; i++) {System.out.println("主线程" + i + " ");}}
}

5. 2 方式二：实现 java.lang.Runnable 接口（线程执行类）

// 线程执行类
public class SubThread implements Runnable {public void run() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {System.out.println("子线程" + i + " ");}}
}// 主线程 main
public class MultiThread {public static void main(String[] args) {//创建并启动子线程Thread t = new Thread(new SubThread());t.start(); //主线程继续同时向下执行for (int i = 0; i < 10000; i++) {System.out.println("主线程" + i + " ");}}
}

5. 3 方式三：实现 java.util.concurrent.Callable 接口，允许子线程返回结果、抛出异常

子线程实现类

// 实现子线程
public class SubThread implements Callable<Integer>{private int begin,end;public SubThread(int begin,int end){this.begin = begin;this.end = end;}@Overridepublic Integer call() throws Exception {int result = 0;for(int i=begin;i<=end;i++){result+=i;}return result;}
}

子线程创建并启动

// 子线程封装为FutureTask对象,计算1-100的累加和
SubThread subThread1 = new SubThread(1,100);
FutureTask<Integer> task1 = new FutureTask<>(subThread1);// 子线程封装为FutureTask对象,计算101-200的累加和
SubThread subThread2 = new SubThread(101,200);
FutureTask<Integer> task2 = new FutureTask<>(subThread2);// 分别启动两个子线程
new Thread(task1).start();
new Thread(task2).start();// 分别获取两个子线程的计算结果
int sum1 = task1.get();
int sum2 = task2.get();// 汇总计算结果
int total = sum1 + sum2;

5. 4 方式四：线程池

线程池，按照配置参数（核心线程数、最大线程数等）创建并管理若干线程对象。程序中如果需要使用线程，将一个执行任务传给线程池，线程池就会使用一个空闲状态的线程来执行这个任务。执行结束以后，该线程并不会死亡，而是再次返回线程池中成为空闲状态，等待执行下一个任务。使用线程池可以很好地提高性能。

// 创建固定大小的线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
while (true) {// 提交多个执行任务至线程池，并执行threadPool.execute(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("当前运行的线程名为： " + Thread.currentThread().getName());try {Thread.sleep(1000);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}}});
}

6. 线程的命名

生产环境中，为了排查问题方便，建议在创建线程的时候指定一个合理的线程名字

调用父类的setName()方法或在构造方法中给线程名字赋值
如果没有为线程命名，系统会默认指定线程名，命名规则是Thread-N的形式

7. 线程的休眠（暂停）

在线程中，可以通过调用Thread.sleep(long millis)，强迫当前线程按照指定毫秒值休眠。

案例：

通过调整子线程和main主线程的休眠时间长短，观察执行结果：

public class Main {public static void main(String[] args) {System.out.println("main start...");Thread t = new Thread() {public void run() {System.out.println("thread run...");try {Thread.sleep(10); // 子线程休眠10毫秒} catch (InterruptedException e) {}System.out.println("thread end.");}};t.start();try {Thread.sleep(20); // 主线程休眠20毫秒} catch (InterruptedException e) {}System.out.println("main end...");}
}

8. 线程的优先级

在线程中，通过setProiority(int n) 设置线程优先级，范围是1-10，默认为5
优先级高的线程被操作系统调度的优先级较高（操作系统对高优先级线程，调度更频繁）
注意：并不能代表，通过设置优先级来确保高优先级的线程一定会先执行

案例：

通过调整子线程thread1和thread2的优先级，观察执行结果：

public class Main {public static void main(String[] args) {// 创建子线程：打印数字1-26Thread thread1 = new Thread("数字线程") {@Overridepublic void run() {for (int i = 1; i <= 26; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "打印=>" + i + "[" + Thread.currentThread().getPriority() + "]");}}};// 创建子线程：打印字母A-ZThread thread2 = new Thread("字母线程") {@Overridepublic void run() {for (char i = 'A'; i <= 'Z'; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "打印=>" + i + "[" + Thread.currentThread().getPriority() + "]");}}};thread1.setPriority(8); // 设置数字线程优先级=8thread2.setPriority(1); // 设置字母线程优先级=1// 启动子线程thread1.start();thread2.start();}
}