多線程是提升程序性能非常重要的一種方式，也是Java編程中的一項重要技術。在程序設計中，多線程就是指一個應用程序中有多條并發(fā)執(zhí)行的線索，每條線索都被稱作一個線程，它們會交替執(zhí)行，彼此間可以進行通信。

1. 進程與線程

進程是指正在運行的程序，是系統(tǒng)進行資源分配和調度的基本單位。為了有效利用系統(tǒng)資源和提高運行效率，在一個進程中還可以有若干同時并發(fā)運行的線程。每一個進程都至少存在一個線程。

當一個Java程序啟動時，就會產生一個進程，該進程中會默認創(chuàng)建一個線程，在這個線程上運行main()方法中的代碼，這樣的程序稱為單線程程序。單線程程序中只有一個線程在運行，效率相對較低。好比是售票大廳只開設一個售票窗口，所有人只能在一個窗口排除買票，整個售票過程效率較低；如果同時開設多個售票窗口售票，則可以提高售票效率。編寫的程序也是同樣，可以通過創(chuàng)建多線程程序來提高程序運行效率。

2. 線程的創(chuàng)建

Java中提供了三種方式來實現(xiàn)多線程。

（1）Thread類實現(xiàn)多線程

Thread類是java.lang包下的一個線程類，可通過繼承Thread類的方式來實現(xiàn)多線程，其使用方法是先創(chuàng)建一個Thread線程類的子類（子線程），同時重寫Thread類的run()方法；然后創(chuàng)建該子類的實例對象，并通過調用start()方法啟動線程。

【例11-1】通過Thread類實現(xiàn)多線程

運行結果如下圖所示。

通過運行結果可以看到，兩個線程對象交互執(zhí)行了各自重寫的run()方法。并不是按順序先執(zhí)行完第一個線程再執(zhí)行第二個線程。

（2）Runnable接口實現(xiàn)多線程

雖然可以通過繼承Thread類實現(xiàn)多線程，但這種使用方式有一定的局限性。因Java只支持單繼承，如果某個類已經繼承了其他類，就無法再繼承Thread類來實現(xiàn)多線程。這時可通過實現(xiàn)Runnable接口的方式來實現(xiàn)多線程。

①使用實現(xiàn)Runnable接口的方式來實現(xiàn)多線程的主要過程如下。

②創(chuàng)建一個Runnable接口的實現(xiàn)類，重寫接口中的run()方法。

③創(chuàng)建Runnable接口的實現(xiàn)類對象。

④使用Thread有參構造方法創(chuàng)建線程實例，并將Runnable接口的實現(xiàn)類的對象作為參數(shù)傳入。

⑤調用線程實例的start()方法啟動線程。

【例11-2】通過實現(xiàn)Runnable接口的方式來實現(xiàn)多線程

運行結果如下圖所示。

Callable接口實現(xiàn)多線程

通過Thread類和Runnable接口實現(xiàn)多線程時，需要重寫run()方法，但是由于該方法沒有返回值，因此無法從多個線程中獲取返回結果。為了解決這個問題，從JDK 5開始，Java提供了一個新的Callable接口，來滿足這種既能創(chuàng)建多線程又可以有返回值的需求。

Callable接口實現(xiàn)多線程是通過Thread類的有參構造方法傳入Runnable接口類型的參數(shù)來實現(xiàn)多線程，不同的是，這里傳入的是Runnable接口的子類FutureTask對象作為參數(shù)，而FutureTask對象中則封裝帶有返回值的Callable接口實現(xiàn)類。

通過Callable接口實現(xiàn)多線程的過程如下。

①創(chuàng)建一個Callable接口的實現(xiàn)類，同時重寫Callable接口的call()方法；

②創(chuàng)建Callable接口的實現(xiàn)類對象；

③通過FutureTask線程結果處理類的有參構造方法來封裝Callable接口實現(xiàn)類對象；

④使用參數(shù)為FutureTask類對象的Thread有參構造方法創(chuàng)建Thread線程實例；

⑤調用線程實例的start()方法啟動線程。

【例11-3】通過Callable接口實現(xiàn)多線程

運行結果如下圖所示。

Callable接口方式實現(xiàn)的多線程是通過FutureTask類來封裝和管理返回結果的，該類的直接父接口是RunnableFuture。FutureTask類的繼承關系如下圖所示。

FutureTask本質是Runnable接口和Future接口的實現(xiàn)類，而Future則是用來管理線程執(zhí)行返回結果的。其中Future接口中有5個方法來對線程結果進行管理，如表1所示。

表1?Future接口的方法

方法聲明	功能描述
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)	用于取消任務，參數(shù)mayInterruptIfRunning表示是否允許取消正在執(zhí)行卻沒有執(zhí)行完畢的任務，如果設置true，則表示可以取消正在執(zhí)行的任務
boolean isCancelled()	判斷任務是否被取消成功，如果在任務正常完成前被取消成功，則返回?true
boolean isDone()	判斷任務是否已經完成，若任務完成，則返回true
V get()	用于獲取執(zhí)行結果，這個方法會發(fā)生阻塞，一直等到任務執(zhí)行完畢才返回執(zhí)行結果
V get(long timeout, TimeUnit unit)	用于在指定時間內獲取執(zhí)行結果，如果在指定時間內，還沒獲取到結果，就直接返回null

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3. 線程的生命周期

在Java中，任何對象都有生命周期，線程也不例外，它也有自己的生命周期。當Thread對象創(chuàng)建完成時，線程的生命周期便開始了。當線程任務中代碼正常執(zhí)行完畢或者線程拋出一個未捕獲的異常（Exception）或者錯誤（Error）時，線程的生命周期便會結束。線程的整個生命周期分為6個狀態(tài)，分別是NEW（新建狀態(tài)）、RUNNABLE(可運行狀態(tài))、BLOCKED(阻塞狀態(tài))、WAITING(等待狀態(tài))、TIMED_WAITING（定時等待狀態(tài)）和TERMINATED(終止狀態(tài))。線程的不同狀態(tài)表明了線程當前正在進行的活動。程序中，通過一些操作，可以使線程在不同狀態(tài)之間轉換，如下圖所示。

（1）NEW（新建狀態(tài)）

創(chuàng)建一個線程對象后，該線程對象就處于新建狀態(tài)，此時它不能運行，和其他Java對象一樣，僅僅由JVM為其分配了內存，沒有表現(xiàn)出任何線程的動態(tài)特征。

（2）RUNNABLE（可運行狀態(tài)）

新建狀態(tài)的線程調用start()方法，就會進入可運行狀態(tài)。在RUNNABLE狀態(tài)內部又可細分成兩種狀態(tài)：READY（就緒狀態(tài)）和RUNNING（運行狀態(tài)），并且線程可以在這兩個狀態(tài)之間相互轉換。

RUNNABLE內部狀態(tài)轉換：

①就緒狀態(tài)：線程對象調用start()方法之后，等待JVM的調度，此時線程并沒有運行；

②運行狀態(tài)：線程對象獲得JVM調度，如果存在多個CPU，那么允許多個線程并行運行。

（3）BLOCKED（阻塞狀態(tài)）

運行狀態(tài)的線程因為某些原因失去CPU的執(zhí)行權，會進入阻塞狀態(tài)。阻塞狀態(tài)的線程只能先進入就緒狀態(tài)，不能直接進入運行狀態(tài)。

線程一般會在以下兩種情況時進入阻塞狀態(tài)：

①當線程A運行過程中，試圖獲取同步鎖時，卻被線程B獲取；

②當線程運行過程中，發(fā)出IO請求時。

（4）WAITING（等待狀態(tài)）

當運行狀態(tài)的線程調用了無時間參數(shù)限制的方法后，如wait()、join()等方法，就會轉換為等待狀態(tài)。

處于等待狀態(tài)中的線程不能立即爭奪CPU使用權，必須等待其他線程執(zhí)行特定的操作后，才有機會爭奪CPU使用權。例如調用wait()方法而處于等待狀態(tài)中的線程，必須等待其他線程調用notify()或者notifyAll()方法喚醒當前等待中的線程；調用join()方法而處于等待狀態(tài)中的線程，必須等待其他加入的線程終止。

（5）TIMED_WAITING（定時等待狀態(tài)）

當運行狀態(tài)中的線程調用了有時間參數(shù)限制的方法，如sleep(long millis)、wait(long timeout)、join(long millis)等方法，就會轉換為定時等待狀態(tài)。

處于定時等待狀態(tài)中的線程不能立即爭奪CPU使用權，必須等待其他相關線程執(zhí)行完特定的操作或者限時時間結束后，才有機會再次爭奪CPU使用權。例如，調用了wait(long timeout) 方法而處于等待狀態(tài)中的線程，需要通過其他線程調用notify()或者notifyAll()方法喚醒當前等待中的線程，或者等待限時時間結束后也可以進行狀態(tài)轉換。

（6）TERMINATED（終止狀態(tài)）

當線程的run()方法、call()方法正常執(zhí)行完畢或者線程拋出一個未捕獲的異常（Exception）、錯誤（Error），線程就進入終止狀態(tài)。一旦進入終止狀態(tài)，線程將不再擁有運行的資格，也不能再轉換到其他狀態(tài)，生命周期結束。

4. 線程的調度

程序中的多個線程是并發(fā)執(zhí)行的，但并不是同一時刻執(zhí)行，某個線程若想被執(zhí)行必須要得到CPU的使用權。Java虛擬機會按照特定的機制為程序中的每個線程分配CPU的使用權，這種機制被稱作線程的調度。

線程調度有兩種模型，分別是分時調度模型和搶占式調度模型。分時調度是指讓所有的線程輪流獲得CPU的使用權，并且平均分配每個線程占用的CPU時間片。搶占式調度是指讓可運行池中所有就緒狀態(tài)的線程爭搶CPU的使用權，而優(yōu)先級高的線程獲取CPU執(zhí)行權的概率大于優(yōu)先級低的線程。

Java虛擬機默認采用搶占式調度模型，多數(shù)情況下不需要去關心它，在某些特定的需求下需要改變這種模式時可由程序來控制 CPU的調度。

（1）設置線程的優(yōu)先級

在程序中如果要對線程進行調度，最直接的方式就是設置線程的優(yōu)先級。優(yōu)先級越高的線程獲得CPU執(zhí)行的機會越大，而優(yōu)先級越低的線程獲得CPU執(zhí)行的機會越小。

線程的優(yōu)先級用1~10之間的整數(shù)來表示，數(shù)字越大優(yōu)先級越高。除了可以直接使用數(shù)字表示線程的優(yōu)先級，還可以使用Thread類中提供的三個靜態(tài)常量（如表2所示）表示線程的優(yōu)先級。

表2?Thread類的優(yōu)先級常量

Thread類的靜態(tài)常量	功能描述
static int MAX_PRIORITY	表示線程的最高優(yōu)先級，相當于值10
static int MIN_PRIORITY	表示線程的最低優(yōu)先級，相當于值1
static int NORM_PRIORIY	表示線程的普通優(yōu)先級，相當于值5

程序在運行期間，處于就緒狀態(tài)的每個線程都有自己的優(yōu)先級，例如main線程具有普通優(yōu)先級?？梢酝ㄟ^Thread類的setPriority(int newPriority)方法對其進行設置，該方法中的參數(shù)newPriority接收的是1~10之間的整數(shù)或者Thread類的三個靜態(tài)常量。

【例11-4】線程優(yōu)先級的設置

運行結果如下圖所示。

說明：

雖然Java提供了10個線程優(yōu)先級，但是這些優(yōu)先級需要操作系統(tǒng)的支持，不同的操作系統(tǒng)對優(yōu)先級的支持是不一樣的，不能很好地和Java中線程優(yōu)先級一一對應。

（2）?線程休眠

如果想要人為地控制線程執(zhí)行順序，使正在執(zhí)行的線程暫停，將CPU使用權讓給其他線程，這時可以使用靜態(tài)方法sleep(long millis)。該方法可以讓當前正在執(zhí)行的線程暫停一段時間，進入休眠等待狀態(tài)，這樣其他的線程就可以得到執(zhí)行的機會。sleep(long millis)方法會聲明拋出InterruptedException異常，因此在調用該方法時應該捕獲異常，或者聲明拋出該異常。

【例11-5】線程休眠

運行結果如下圖所示。

5. 多線程同步

多線程的并發(fā)執(zhí)行可以提高程序的效率，但是，當多個線程去訪問同一個資源時，也會引發(fā)一些安全問題。如下例中的多線程售票程序。

【例11-6】多線程售票

運行結果如下圖所示。

由運行結果可以看到，同一張票被出售了多次，這種現(xiàn)象是不應該出現(xiàn)的。出現(xiàn)這種問題的原因在于多個線程同時處理共享資源所導致的。為了解決這樣的問題，只需要保證某個資源在同一時刻只能被一個線程訪問即可，也即線程的同步，Java中提供了幾種不同的線程同步機制。

（1）同步代碼塊

當多個線程使用同一個共享資源時，可以將處理共享資源的代碼放置在一個使用synchronized關鍵字修飾的代碼塊中，這段代碼塊就被稱為同步代碼塊。使用格式如下。

? ? ?synchronized(lock){

? ? ? ? ? ? ?// 操作共享資源代碼塊 ...

? ? ? ? ? ? }

述代碼中，lock是一個鎖對象，可以是任意類型的對象，但多個線程共享的鎖對象必須是相同的。鎖對象的創(chuàng)建代碼不能放到run()方法中，否則每個線程運行到run()方法都會創(chuàng)建一個新對象，這樣每個線程都會有一個不同的鎖。

【例11-7】利用同步代碼塊實現(xiàn)線程同步

運行結果如下圖所示。

同步代碼塊的原理：

①當線程執(zhí)行同步代碼塊時，首先會檢查lock鎖對象的標志位；

②默認情況下標志位為1，此時線程會執(zhí)行Synchronized同步代碼塊，同時將鎖對象的標志位置為0；

③當一個新的線程執(zhí)行到這段同步代碼塊時，由于鎖對象的標志位為0，新線程會發(fā)生阻塞，等待當前線程執(zhí)行完同步代碼塊后；

④鎖對象的標志位被置為1，新線程才能進入同步代碼塊執(zhí)行其中的代碼，這樣循環(huán)往復，直到共享資源被處理完為止。

（2）同步方法

當把共享資源的操作放在同步代碼塊中時，便為這些操作加了同步鎖。同樣，也可以在方法前面使用synchronized關鍵字來修飾，被修飾的方法稱為同步方法，可實現(xiàn)和同步代碼塊同樣的功能，同步方法使用格式如下所示。

[修飾符] synchronized 返回值類型方法名([參數(shù)1,……]){

//方法體

}

被synchronized修飾的方法在某一時刻只允許一個線程訪問，訪問該方法的其他線程都會發(fā)生阻塞，直到當前線程訪問完畢后，其他線程才有機會執(zhí)行。

【例11-8】使用同步方法實現(xiàn)線程同步

運行結果如下圖所示。

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