Java 并发编程-多线程基础使用

Thread 类和 Runnable接口

Thread class

自定义线程类继承 Thread类
重写 run() 方法，编写线程执行体
创建线程对象，调用 start() 方法启动线程

使用例：下载图片

导入这个包

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/commons-io/commons-io -->
<dependency>
    <groupId>commons-io</groupId>
    <artifactId>commons-io</artifactId>
    <version>2.4</version>
</dependency>

public class LearnThread extends Thread{

    private String url;
    private String name;

    public LearnThread(String url, String name) {
        this.url = url;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        new DownloadWebFile().download(url,name);
        System.out.println("下载完成");
    }

    class DownloadWebFile{
        public void download(String url,String name){
            try {
                FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new LearnThread("https://image.alsritter.icu/img/bd_logo1.png","./temp.png").start();
        new LearnThread("https://image.alsritter.icu/img/bd_logo1.png","./temp2.png").start();
        new LearnThread("https://image.alsritter.icu/img/bd_logo1.png","./temp3.png").start();
    }
}

Runnable接口

实际上 Thread 也是继承自这个 Runnable 接口

public
class Thread implements Runnable {
  ....

那为什么需要添加个 Runnable 接口呢？

主要的原因就是 Java的单继承机制，Thread 是实体类，而 Runnable是一个接口。

而且这个 Runnable 接口是一个函数接口

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

使用步骤

定义 MyRunnable 类去实现 Runnable 接口
实现 run() 方法，编写线程执行体
创建线程对象，调用 Thread类的 start() 方法启动线程

如下，可以直接传递 Runnable

public class LearnRunnable implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("等待了"+(i+1));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

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

Callable、Future与FutureTask

使用 Runnable 和 Thread 来创建线程有一个弊端，就是 run 方法是没有返回值的。而有时候希望开启一个线程去执行一个任务，并且这个任务执行完成后有一个返回值。

JDK 提供了 Callable 接口与 Future 类来解决这个问题，这也是所谓的 “异步” 模型。

Callable 接口

Callable 与 Runnable 类似，同样是只有一个抽象方法的函数式接口。不同的是，Callable 提供的方法是有返回值的，而且支持泛型。

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

Callable 一般是配合线程池工具 ExecutorService 来使用的（看线程池那篇文章）。

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用线程池（）
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        Task task = new Task();
        List<Future<Integer>> tasks = new ArrayList<>(); // 这里并没多线程同时操作 List，所以可以直接用 ArrayList

        // 把任务存在队列里面
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            Future<Integer> submit = executorService.submit(task);
            tasks.add(submit);
        }

        // 执行完 tasks 队列里面的任务
        tasks.forEach(x -> {
            try {
                // 调用 get 方法会阻塞当前线程，直到得到结果
                System.out.println(x.get());
            } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        // 释放线程池
        executorService.shutdown();
    }

    static class Task implements Callable<Integer> {

        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            // 模拟计算耗时
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            return new Random().nextInt();
        }
    }
}

上面的 submit 方法会返回一个 Future，后续的程序可以通过这个 Future 的 get 方法得到结果。

Future接口

上面的 Callable 委托给线程池执行，实际这是一种异步任务，那如何取得异步执行的结果？

这种时候就需要使用 Future对象了，在主线程某个时刻调用 Future对象的 get() 方法，就可以获得异步执行的结果，如果异步任务已经完成，就直接获得结果。如果异步任务还没有完成，那么 get() 会阻塞，直到任务完成后才返回结果。

Future 接口只有几个比较简单的方法：

public abstract interface Future<V> {
    // cancel方法是试图取消一个线程的执行，注意是试图取消，并不一定能取消成功。
    // 因为任务可能已完成、已取消、或者一些其它因素不能取消，存在取消失败的可能。
    // 参数 paramBoolean 表示是否采用中断的方式取消线程执行
    public abstract boolean cancel(boolean paramBoolean);

    // 是否被取消，不过上面的 cancel 方法的返回值已经是 “是否取消成功”
    public abstract boolean isCancelled();
    // 判断任务是否完成
    public abstract boolean isDone();

    // 这两个 get 方法能取得任务的返回值，但是如果任务报错了，这个 get 方法执行后就会抛出那个任务的错误
    public abstract V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    public abstract V get(long paramLong, TimeUnit paramTimeUnit)
            throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

有时候，为了让任务有能够取消的功能，就使用 Callable 来代替 Runnable。如果只是为了可取消性而使用又不提供可用的结果，则可以使用 Future<?> 形式类型、并返回 null 作为底层任务的结果。

FutureTask类

参考资料 Java多线程入门类和接口

上面介绍了 Future 接口。这个接口有一个默认实现类叫 FutureTask。FutureTask 直接实现是的 RunnableFuture 接口的，而 RunnableFuture 接口同时继承了 Runnable 接口和 Future 接口：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

使用例：

// 自定义 Callable
class Task implements Callable<Integer>{
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        // 模拟计算需要一秒
        Thread.sleep(1000);
        return 2;
    }

    public static void main(String args[]) {
        // 使用
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new Task());

        executor.submit(futureTask);
        System.out.println(futureTask.get());
    }
}

注意这里调用 submit 方法是没有返回值的，因为这里实际上是调用的 submit(Runnable task) 方法，所以这里使用 FutureTask 直接通过 get 取值

线程的常用方法

这里常用的方法直接写在代码里面了，效果看注释

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = () -> {
            // 返回当前线程的引用
            Thread thread = Thread.currentThread();

            // 设置线程名称
            thread.setName("线程名称");
            // 获取当线程名称
            System.out.println(thread.getName());

            try {
                // 让当前线程停止执行，把 cpu 让给其他线程执行，但不会释放对象锁和监控的状态，到了指定时间后线程又会自动恢复运行状态
                // 注意休眠会抛出异常
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // 默认情况下，线程的优先级是5。线程的优先级分为 1~10 等级。
            // 优先级高的线程得到的 cpu多。也就是说，两个等待的线程，优先级高的线程容易被 cpu执行。
            System.out.println(thread.getPriority());
            // 还可以手动设置优先级
            thread.setPriority(6);

            // 取得线程唯一标识
            System.out.println(thread.getId());

        };

        Thread thread = new Thread(runnable);
        // 可以设置当前线程为守护线程
        thread.setDaemon(true);
        // 判断是否开启成功
        if (thread.isDaemon()) {
            System.out.println("当前线程为守护线程");
        }

        thread.start();

        // 因为是守护线程，所以这里需要设置一个 while 等待守护线程执行完成
        // 判断当前线程是否处于活动状态。活动状态就是已经启动尚未终止。
        while (thread.isAlive()) {}
    }
}

这里单独讲下面几个特殊的方法

interrupt 方法

参考资料中断线程

这个方法的作用就如它的名字一样，发送一个中断线程的信号。

举个例子：假设从网络下载一个 100M的文件，如果网速很慢，用户等得不耐烦，就可能在下载过程中点 “取消”，这时，程序就需要中断下载线程的执行。

但是要注意，中断线程信号发送后是否响应不是交由 JVM直接掐了，而是目标线程需要反复检测自身状态是否是 interrupted 状态，如果是，就立刻结束运行。

public class Temp {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            // 这里需要自己去捕获线程是否需要中断，这个机制算是外界与线程通信的一种手段
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                System.out.println("当前尚未被中断：" + i);
                i++;
            }
        });

        thread.start();
        Thread.sleep(1); // 让它执行一毫秒，使之能打印一次

        // 注意：这个 interrupt 方法仅仅是发送一个中断信号给线程，至于线程是否能立刻响应，要看线程里面的方法是否去处理
        thread.interrupt();
        // 因为不是马上线程中断的，所以需要加上个 join 等待线程中断
        thread.join();


        System.out.println(thread.getState()); // 输出结果为：TERMINATED

        // 这里也是有个坑的，线程结束后，状态是 TERMINATED，所以结果是false
        // 因此 isInterrupted 一般用于线程里面
        if (thread.isInterrupted()) {
            System.out.println(thread.getName() + "线程已经中断");
        }
    }
}

但是对正在睡眠，或者等待状态的线程发送暂停信号会抛出异常

public class Temp {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // 因为在捕获到异常后，暂停状态会被重置为 false，所以在抛出异常前还是需要发送信号
                Thread.currentThread().interrupt();
                throw new RuntimeException("Thread interrupted..." + e);
            }
        });

        thread.start();
        Thread.sleep(1);
        thread.interrupt();
    }
}

Exception in thread "Thread-0" java.lang.RuntimeException: Thread interrupted...java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at test.Temp.lambda$main$0(Temp.java:16)
    at java.base/java.lang.Thread.run(Thread.java:830)

yield 方法

暂停当前正在执行的线程对象，释放自己拥有的CPU，让线程进入就绪状态。

// 这个 yield 方法是本地方法
public static native void yield();

yield() 只是使当前线程重新回到可执行状态，所以执行 yield() 的线程有可能在进入到可执行状态后马上又被执行。

yield() 只能使同优先级或更高优先级的线程有执行的机会。

所以：yield() 不会释放锁，只是通知调度器自己可以让出cpu时间片，但只是建议，调度器也不一定采纳

不过一般这个 yield 方法没什么用，硬要说有啥用的话就是让具有相同优先级的其他线程获得运行机会。说来这个文档注释上也说这个 yield 方法没啥用，一般用作测试

join 方法

这个 join 方法有点像 JavaScript 的 await 关键字（当然 JS没有多线程），让 “主线程”（调用 t.join() 的线程）等待 “子线程” 结束之后才能继续运行，主要的作用就是让线程同步。但是它并不影响同一时刻处在运行状态的其他线程。

join() 方法底层调用的就是 wait() 方法，所以会让出线程

// 主线程
public class Father extends Thread {
    public void run() {
        Son s = new Son();
        s.start();
        s.join();
        ...
    }
}

// 子线程
public class Son extends Thread {
    public void run() {
        ...
    }
}

但是得在调用了 start() 方法后才有效果

不过实际上这个 join 方法底层也是通过 while 锁来完成的

public final void join() throws InterruptedException {
    join(0);
}


public final synchronized void join(final long millis) throws InterruptedException {
    if (millis > 0) {
        if (isAlive()) {
            final long startTime = System.nanoTime();
            long delay = millis;

            do {
                wait(delay);
            } while (isAlive() && (delay = millis -
                    TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(System.nanoTime() - startTime)) > 0);
        }
    } else if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }
}

线程组

参考资料深入浅出Java多线程- 线程组和线程优先级

线程组是什么

Java 中用 ThreadGroup 来表示线程组，可以使用线程组对线程进行批量控制。

ThreadGroup 和 Thread 的关系就如同他们的字面意思一样简单粗暴，每个 Thread 必然存在于一个 ThreadGroup 中，Thread 不能独立于 ThreadGroup 存在。执行 main() 方法线程的名字是 main，如果在 new Thread 时没有显式指定，那么默认将父线程（当前执行 new Thread 的线程）线程组设置为自己的线程组。

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread testThread = new Thread(() -> {
            System.out.println("当前线程组名字：" +
                    Thread.currentThread().getThreadGroup().getName());

            System.out.println("线程名字：" +
                    Thread.currentThread().getName());
        });

        testThread.start();
        System.out.println("执行main方法线程名字：" + Thread.currentThread().getName());
    }
}

线程组的常用方法

获取当前的线程组名字

Thread.currentThread().getThreadGroup().getName()

复制线程组

// 复制一个线程数组到一个线程组
Thread[] threads = new Thread[threadGroup.activeCount()];
TheadGroup threadGroup = new ThreadGroup();
threadGroup.enumerate(threads);

线程组统一异常处理

public class ThreadGroupDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadGroup threadGroup = new ThreadGroup("group1") {
            // 继承 ThreadGroup 并重写下面这个方法，它会捕获未处理的异常
            @Override
            public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
                System.out.println(t.getName() + ": " + e.getMessage());
            }
        };

        // 这个线程是 threadGroup 的一员
        Thread thread1 = new Thread(threadGroup, new Runnable() {
            public void run() {
                // 抛出 unchecked 异常
                throw new RuntimeException("测试异常");
            }
        });

        thread1.start();
    }
}

线程组的数据结构

线程组是 树形结构，所以线程组里面还可以包含其它的线程组

首先看看 ThreadGroup 源码中的成员变量

public class ThreadGroup implements Thread.UncaughtExceptionHandler {
    private final ThreadGroup parent; // 父亲ThreadGroup
    String name; // ThreadGroup 的名称
    int maxPriority; // 线程最大优先级
    boolean destroyed; // 是否被销毁
    boolean daemon; // 是否守护线程
    boolean vmAllowSuspension; // 是否可以中断

    int nUnstartedThreads = 0; // 还未启动的线程
    int nthreads; // ThreadGroup中线程数目
    Thread threads[]; // ThreadGroup中的线程

    int ngroups; // 线程组数目
    ThreadGroup groups[]; // 线程组数组
}

下面看一下的它的构造方法，对于需要传入其它的线程组可以调用它第二个构造方法 ThreadGroup(ThreadGroup parent, String name)

// 私有构造函数
private ThreadGroup() { 
    this.name = "system";
    this.maxPriority = Thread.MAX_PRIORITY;
    this.parent = null;
}

// 默认是以当前ThreadGroup传入作为parent  ThreadGroup，新线程组的父线程组是目前正在运行线程的线程组。
public ThreadGroup(String name) {
    this(Thread.currentThread().getThreadGroup(), name);
}

// 构造函数
public ThreadGroup(ThreadGroup parent, String name) {
    this(checkParentAccess(parent), parent, name);
}

// 私有构造函数，主要的构造函数
private ThreadGroup(Void unused, ThreadGroup parent, String name) {
    this.name = name;
    this.maxPriority = parent.maxPriority;
    this.daemon = parent.daemon;
    this.vmAllowSuspension = parent.vmAllowSuspension;
    this.parent = parent;
    parent.add(this);
}

总结：实现 Runnable 接口和 Callable 接口的区别

Runnable 自 Java 1.0 以来一直存在，但 Callable 在 Java 1.5 中引入，目的就是为了来处理 Runnable 不支持的用例。

Runnable 接口不会返回结果或抛出检查异常，但是 Callable 接口可以。所以，如果任务不需要返回结果或抛出异常推荐使用 Runnable 接口，这样代码看起来会更加简洁。

补充：工具类 Executors 可以实现 Runnable 对象和 Callable 对象之间的相互转换。

Executors.callable(Runnable task)
// 或 
Executors.callable(Runnable task，Object resule)

Runnable 接口

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
   /**
    * 被线程执行，没有返回值也无法抛出异常
    */
    public abstract void run();
}

Callable 接口

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    /**
     * 计算结果，或在无法这样做时抛出异常。
     * @return 计算得出的结果
     * @throws 如果无法计算结果，则抛出异常
     */
    V call() throws Exception;
}

总结：执行 execute()方法和 submit()方法的区别是什么呢？

execute() 方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功与否；
submit() 方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个 Future 类型的对象，通过这个 Future 对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过 Future 的 get() 方法来获取返回值，get() 方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用 get(long timeout，TimeUnit unit) 方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。

就是通过一个回调来取得结果

Thread 类 和 Runnable接口​

Thread class​

Runnable接口​

Callable、Future与FutureTask​

Callable 接口​

Future接口​

FutureTask类​

线程的常用方法​

interrupt 方法​

yield 方法​

join 方法​

线程组​

线程组是什么​

线程组的常用方法​

线程组的数据结构​

总结：实现 Runnable 接口和 Callable 接口的区别​

总结：执行 execute()方法和 submit()方法的区别是什么呢？​

Thread 类和 Runnable接口

Thread class

Runnable接口

Callable、Future与FutureTask

Callable 接口

Future接口

FutureTask类

线程的常用方法

interrupt 方法

yield 方法

join 方法

线程组

线程组是什么

线程组的常用方法

线程组的数据结构

总结：实现 Runnable 接口和 Callable 接口的区别

总结：执行 execute()方法和 submit()方法的区别是什么呢？