多线程基础入门

什么是线程

说到线程，不得不提进程，对于进程相信大家都不陌生。比如当我们启动qq的时候，操作系统会给qq程序创建一个进程，启动桌面版微信，操作系统也会给微信创建一个进程，同理，java程序启动后，也会创建一个进程。

根据狭义的定义，进程就是正在运行程序的抽象。

话说回来，那什么是线程呢？

在某些进程内部，还需要同时执行一些子任务，比如在一个Java进程中，后台除了执行正常用户代码之外，可能还需要线程在后台执行垃圾回收，即时编译等，我们称这些子任务为线程。我们可以理解线程为一种轻量级的进程，它们有自己的程序计数器、栈以及局部变量等，可以被操作系统进行调度，而且相比进程而言，线程创建、上下文切换的代价都更小，所以现代操作系统都是以线程作为调度的最小单位。

进程和线程的关系

• 进程是系统进行资源分配基本单位，线程是系统调度的基本单位。

• 一个进程可以包含一个或多个线程。

• 同一个进程所有线程可共享该进程的资源，如内存空间等。

• 进程之间通信较为复杂

  • 同一台计算机内部的进程通信，称为IPC(Inter-Process Communication)

  • 不同计算机之间进程通信，需要通过网络，遵循共同的协议，如TCP/IP

• 线程之间通信比较方便，因为同一个进程中所有线程共享内存，比如多个线程可以访问同一个共享变量。

​ 我们可以把进程理解成一个营业的酒店，而线程就是酒店的老板及工作人员如大堂经理、保洁阿姨、保安、厨师等。酒店的老板及工作人员，都能共用酒店的资源。一个酒店再怎么样，就算没有任何工作人员，也必须有一个老板才行。

并行和并发

cpu执行代码是一条一条顺序执行的，但是，即便是单核CPU，也可以同时运行多个任务。这是因为操作系统会让多个任务轮流交替执行，每个任务执行若干时间，执行完后切换到下一个任务执行，这个过程非常快，造成一种同时执行的假象，这种在宏观上同时执行，微观上交替执行的现象，我们称之为***并发(Concurrency)***。

当然，对于拥有多核CPU的计算机而言，是可以允许多个CPU同时执行不同任务的，比如在CPU1执行Word，在CPU2上执行QQ音乐听歌，这种真正意义上的同时执行，我们称为***并行(Parallelism)***。

引用golang语言创造者Rob Pike的一段话:

• 并发是同一时间，应对(dealing with)多件事情的能力。
• 并行，是同一时间动手做(doing)多件事情的能力。

并发和并行的区别，有点类似于以下场景:

高速公路上设有收费站，假设有两条道路，但是收费通道只有一个，这时两个道路的车，就需要交替排队进入同一个收费入口进行收费，这种情况类似于并发，假如有两个收费入口，两条道的车都在自己的收费入口收费，这种情况类似于并行。

创建线程的方式

在java中创建并使用线程非常简单，只需要创建一个线程对象，并调用其start方法，就可以了，比如下面这样:

public class CreateThread {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread();
        t1.start();
    }
}

当我们执行这段程序的时候，jvm实际首先会创建一个主线程，用来执行main()方法，然后在执行main()方法的第3行代码时，会创建再次创建线程t1，在第4行通过start()，启动线程t1。不过这个线程启动后，实际并没有执行任何代码就结束了，如果我们希望线程启动后能执行指定代码，可以通过以下两种方式:

继承Thread类并重写run方法

public class ExtendThread {

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new MyThread();
        t1.start();
    }

    public static class MyThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            Debug.debug("我是线程t1");
        }
    }
}

上述方法可以简写成匿名内部类的形式:

public static void main(String[] args) {
  Thread t1 = new Thread(){
    @Override
    public void run() {
      Debug.debug("我是线程t1");
    }
  };
  t1.start();
}

创建线程时传入Runnable对象

public class RunnableThread {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Debug.debug("我是线程t2");
            }
        };
        Thread t2 = new Thread(runnable);
        t2.start();
    }
}

从java8开始，这种方式可以使用lamda表达式简写

public class LambdaRunnableThread {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t2 = new Thread(() -> Debug.debug("我是线程t2"));
        t2.start();
    }
}

那么，这两种写法更推荐哪种呢？一般而言下，更建议使用第二种方法，因为

• java里面类是单继承的，使用接口的方式，可以避开这种限制。
• 有利于任务拆分。如果一个任务需要拆分成很多小任务，不必为每个任务创建一个线程。
• 将任务的创建和执行解耦，一个线程生产任务，可以交给其他线程去执行。

run()和start()的区别

需要特别注意的是,run()和start()的区别，线程创建完成后，执行start()方法，才会真正启动线程去并发执行任务，而run()只是一个普通的实例方法，没有启动线程的作用。

public class StartAndRunTest {
    public static void main(String[] args) {
        Debug.debug("我是线程:{}",Thread.currentThread().getName());
        Thread t2 = new Thread(() -> Debug.debug("我是线程:{}",Thread.currentThread().getName()),"t2");
        t2.run();
    }
}

以上代码中Thread.currentThread().getName()会打印当前执行线程的名字。这段代码首先会打印主线程的名字，然后创建线程t2，接着启动线程t2，t2线程启动后执行其任务代码，会打印出正在执行该代码的线程名字也就是t2，其执行结果如下:

2021-03-07 20:07:05 [main] 我是线程:main
2021-03-07 20:07:05 [t2] 我是线程:t2

如果我们把代码第5行改成: t2.run(),就会输出下面的结果了:

2021-03-07 20:07:19 [main] 我是线程:main
2021-03-07 20:07:19 [main] 我是线程:main

因为run()方法并没有真正启动线程t1，只是在主线程中调用了t2线程的一个普通方法。

线程的常用api

名称	类型	作用
sleep(long millis)	静态方法	使当前线程休眠millis毫秒
yield	静态方法	当前线程让出cpu
join	线程实例方法	等待直到某个线程执行完毕再执行后续代码
join(long millis)	线程实例方法	等待某个线程执行完毕再执行后续代码，最多等待millis毫秒

sleep

sleep(long millis)是一个静态方法，其作用是使当前线程进入休眠millis毫秒，比如下面这个例子，我们让线程休眠5s再执行

public class SleepTest {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            Debug.debug("开始执行");
            try {
                Thread.sleep(5000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            Debug.debug("执行结束");
        },"t1").start();
    }
}

执行结果如下:

2021-03-07 20:09:24 [t1] 开始执行
2021-03-07 20:09:29 [t1] 执行结束

需要注意的是，sleep()会抛出InterruptedException异常，这个异常的作用是让我们可以中断正在休眠中的线程。

yield

yield的翻译过来是屈服、让步的意思，由此可以看出，yield()方法的作用是让当前线程主动让出cpu，从运行状态变成就绪状态，相当于是把执行机会让给其他线程，但不一定能成功让出。打个简单的比方，就像是你在排队买车票，本来轮到你了，这时后面有个人因为时间比较赶，于是你非常绅士的把位置让给他。那么这个方法的应用场景是什么呢？看了该方法的注释，发现原来这个方法实际上很少有机会用到，主要用于代码调试，复现bug。

/**
  * A hint to the scheduler that the current thread is willing to yield
  * its current use of a processor. The scheduler is free to ignore this
  * hint.
  *
  * <p> Yield is a heuristic attempt to improve relative progression
  * between threads that would otherwise over-utilise a CPU. Its use
  * should be combined with detailed profiling and benchmarking to
  * ensure that it actually has the desired effect.
  *
  * </p><p> It is rarely appropriate to use this method. It may be useful
  * for debugging or testing purposes, where it may help to reproduce
  * bugs due to race conditions. It may also be useful when designing
  * concurrency control constructs such as the ones in the
  * {@link java.util.concurrent.locks} package.
  */
  public static native void yield();

join

在多线程应用中，假如线程A的输入依赖于线程B的输出结果，此时，线程A就需要等待线程B执行完毕再继续执行，我们可以使用jdk提供的join()方法来实现这种线程之间的协作。如下所示有两个join方法:

public final void join() throws InterruptedException 
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException

无参的join表示A线程会无限等待直到线程B执行完毕，而有参的join方法，会等待直到最大超时时间，超出这个时间后哪怕线程B还在执行，就不再继续等待。通过下面这个简单的例子，我们来验证一下join()的作用：

public class JoinMain {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyTask myTask = new MyTask();
        Thread t = new Thread(myTask);
        t.start();
        //t.join();
        System.out.println(myTask.result);
    }

    private static class MyTask implements Runnable{
        private int result;

        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            result = 100;
        }
    }
}

这段代码的执行结果是0，而不是100，因为main线程执行第7行代码的时候，线程t还处于休眠状态，此时result还是等于0，当我们去掉第7行的注释，main线程等待t线程执行完毕，设置了result的值，才执行第8行代码，结果就是100了。

守护线程

java线程可以分为守护线程和非守护线程，在java进程中，一旦非守护线程全部执行完毕，即便守护线程还没执行完，该进程也会强行终止。顾名思义，守护线程和它的名字一样，就是在后台默默的做一些系统工作，比如java进程中的垃圾回收线程、JIT线程就是守护线程，正因为如此，当系统中没有其他线程后，守护线程也就失去了存在的意义，无事可做，整个进程自然也就应该结束了。守护线程可以在创建线程后通过setDeamon()进行设置。举个例子:

public class DaemonThreadMain {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(()->{
            Debug.debug("开始执行");
            Sleep.seconds(3);//睡眠3s
            Debug.debug("执行结束");
        },"t1");
//        t.setDaemon(true);
        t.start();
        Sleep.seconds(1);
        Debug.debug("执行结束");
    }
}

执行结果如下:

2021-03-06 20:47:59 [t1] 开始执行
2021-03-06 20:48:00 [main] 执行结束
2021-03-06 20:48:02 [t1] 执行结束

可以看出，线程t1执行耗时3s，main线程耗时1s，main线程1s后就执行完毕退出了，而t1线程作为非守护线程，在主线程结束后，依然是过了3s后才执行完毕。现在我们把第8行t.setDaemon(true)这行代码去掉注释，最终执行结果如下:

2021-03-06 20:52:29 [t1] 开始执行
2021-03-06 20:52:30 [main] 执行结束

可以看出，由于t1是守护线程，主线程退出后，线程t1就退出而没有往下执行了。

需要注意的是，setDameon()方法必须在线程开始也就是调用start()执行之前调用，否则会报以下异常:

Exception in thread "main" java.lang.IllegalThreadStateException
	at java.lang.Thread.setDaemon(Thread.java:1359)
	at com.taoge.demos.DaemonThreadMain.main(DaemonThreadMain.java:20)

附录-工具类 Sleep & Debug

sleep

/**
 * Sleep 是对Thread.sleep的简单封装
 *
 * @author chentao
 * @date 2021/3/6
 */
public final class Sleep {
    public static void sleep(TimeUnit unit, long duration){
        try {
            unit.sleep(duration);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    public static void sleepInterruptibly(TimeUnit unit, long duration) throws InterruptedException{
        unit.sleep(duration);
    }
    
    public static void millis(long millis){
        sleep(TimeUnit.MILLISECONDS, millis);
    }
    
    public static void seconds(long seconds){
        sleep(TimeUnit.SECONDS, seconds);
    }

}

Debug

/**
 * Debug类是对System.out.println的简单封装，便于打印出类似这样格式化的日志:
 * 2021-03-07 20:11:06 [t1] 这是测试
 * 包含了日期时间、线程名称和自定义的打印内容
 * @author chentao
 * @date 2021/3/4
 */
public class Debug {
    private static SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat();

    static {
        format.applyPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
    }

    public static void debug(String msg, Object... params){
        for (Object param : params) {
            msg = msg.replaceFirst("\\{\\}",param.toString());
        }
        System.out.println(format.format(new Date())+" ["+Thread.currentThread().getName()+"] "+msg);
    }
}

源码地址

> 文章所有代码都放在github上
>
> github.com/ThomasChant/jucDemos