一文帶你讀懂Java中的線程

一文帶你讀懂Java中的線程？很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

在之前的章節中，我們都是假設程序中只有一條執行流，程序從main方法的第一條語句逐條執行直到結束。從本節開始，我們討論并發，在程序中創建線程來啟動多條執行流，并發和線程是一個復雜的話題，本節，我們先來討論Java中線程的一些基本概念。

創建線程

線程表示一條單獨的執行流，它有自己的程序執行計數器，有自己的棧。下面，我們通過創建線程來對線程建立一個直觀感受，在Java中創建線程有兩種方式，一種是繼承Thread，另外一種是實現Runnable接口，我們先來看第一種。

繼承Thread

Java中java.lang.Thread這個類表示線程，一個類可以繼承Thread并重寫其run方法來實現一個線程，如下所示：

public class HelloThread extends Thread { 
 @Override
 public void run() {
 System.out.println("hello");
 }
}

HelloThread這個類繼承了Thread，并重寫了run方法。run方法的方法簽名是固定的，public，沒有參數，沒有返回值，不能拋出受檢異常。run方法類似于單線程程序中的main方法，線程從run方法的第一條語句開始執行直到結束。

定義了這個類不代表代碼就會開始執行，線程需要被啟動，啟動需要先創建一個HelloThread對象，然后調用Thread的start方法，如下所示：

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

我們在main方法中創建了一個線程對象，并調用了其start方法，調用start方法后，HelloThread的run方法就會開始執行，屏幕輸出：

hello

為什么調用的是start，執行的卻是run方法呢？start表示啟動該線程，使其成為一條單獨的執行流，背后，操作系統會分配線程相關的資源，每個線程會有單獨的程序執行計數器和棧，操作系統會把這個線程作為一個獨立的個體進行調度，分配時間片讓它執行，執行的起點就是run方法。

如果不調用start，而直接調用run方法呢？屏幕的輸出并不會發生變化，但并不會啟動一條單獨的執行流，run方法的代碼依然是在main線程中執行的，run方法只是main方法調用的一個普通方法。

怎么確認代碼是在哪個線程中執行的呢？Thread有一個靜態方法currentThread，返回當前執行的線程對象：

public static native Thread currentThread();

每個Thread都有一個id和name：

public long getId()
public final String getName()

這樣，我們就可以判斷代碼是在哪個線程中執行的，我們在HelloThead的run方法中加一些代碼：

@Override
public void run() {
 System.out.println("thread name: "+ Thread.currentThread().getName());
 System.out.println("hello");
}

如果在main方法中通過start方法啟動線程，程序輸出為：

thread name: Thread-0
hello

如果在main方法中直接調用run方法，程序輸出為：

thread name: main
hello

調用start后，就有了兩條執行流，新的一條執行run方法，舊的一條繼續執行main方法，兩條執行流并發執行，操作系統負責調度，在單CPU的機器上，同一時刻只能有一個線程在執行，在多CPU的機器上，同一時刻可以有多個線程同時執行，但操作系統給我們屏蔽了這種差異，給程序員的感覺就是多個線程并發執行，但哪條語句先執行哪條后執行是不一定的。當所有線程都執行完畢的時候，程序退出。

實現Runnable接口

通過繼承Thread來實現線程雖然比較簡單，但我們知道，Java中只支持單繼承，每個類最多只能有一個父類，如果類已經有父類了，就不能再繼承Thread，這時，可以通過實現java.lang.Runnable接口來實現線程。

Runnable接口的定義很簡單，只有一個run方法，如下所示：

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

一個類可以實現該接口，并實現run方法，如下所示：

public class HelloRunnable implements Runnable {
 @Override
 public void run() {
  System.out.println("hello");
 }
}

僅僅實現Runnable是不夠的，要啟動線程，還是要創建一個Thread對象，但傳遞一個Runnable對象，如下所示：

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

無論是通過繼承Thead還是實現Runnable接口來實現線程，啟動線程都是調用Thread對象的start方法。

線程的基本屬性和方法

id和name

前面我們提到，每個線程都有一個id和name，id是一個遞增的整數，每創建一個線程就加一，name的默認值是"Thread-"后跟一個編號，name可以在Thread的構造方法中進行指定，也可以通過setName方法進行設置，給Thread設置一個友好的名字，可以方便調試。

優先級

線程有一個優先級的概念，在Java中，優先級從1到10，默認為5，相關方法是：

public final void setPriority(int newPriority)
public final int getPriority()

這個優先級會被映射到操作系統中線程的優先級，不過，因為操作系統各不相同，不一定都是10個優先級，Java中不同的優先級可能會被映射到操作系統中相同的優先級，另外，優先級對操作系統而言更多的是一種建議和提示，而非強制，簡單的說，在編程中，不要過于依賴優先級。

狀態

線程有一個狀態的概念，Thread有一個方法用于獲取線程的狀態：

public State getState()

返回值類型為Thread.State，它是一個枚舉類型，有如下值：

public enum State {
 NEW,
 RUNNABLE,
 BLOCKED,
 WAITING,
 TIMED_WAITING,
 TERMINATED;
}

關于這些狀態，我們簡單解釋下：

• NEW: 沒有調用start的線程狀態為NEW
• TERMINATED: 線程運行結束后狀態為TERMINATED
• RUNNABLE: 調用start后線程在執行run方法且沒有阻塞時狀態為RUNNABLE，不過，RUNNABLE不代表CPU一定在執行該線程的代碼，可能正在執行也可能在等待操作系統分配時間片，只是它沒有在等待其他條件
• BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING：都表示線程被阻塞了，在等待一些條件，其中的區別我們在后續章節再介紹

Thread還有一個方法，返回線程是否活著：

public final native boolean isAlive()

線程被啟動后，run方法運行結束前，返回值都是true。

是否daemo線程

Thread有一個是否daemo線程的屬性，相關方法是：

public final void setDaemon(boolean on)
public final boolean isDaemon()

前面我們提到，啟動線程會啟動一條單獨的執行流，整個程序只有在所有線程都結束的時候才退出，但daemo線程是例外，當整個程序中剩下的都是daemo線程的時候，程序就會退出。

daemo線程有什么用呢？它一般是其他線程的輔助線程，在它輔助的主線程退出的時候，它就沒有存在的意義了。在我們運行一個即使最簡單的"hello world"類型的程序時，實際上，Java也會創建多個線程，除了main線程外，至少還有一個負責垃圾回收的線程，這個線程就是daemo線程，在main線程結束的時候，垃圾回收線程也會退出。

sleep方法

Thread有一個靜態的sleep方法，調用該方法會讓當前線程睡眠指定的時間，單位是毫秒：

public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;

睡眠期間，該線程會讓出CPU，但睡眠的時間不一定是確切的給定毫秒數，可能有一定的偏差，偏差與系統定時器和操作系統調度器的準確度和精度有關。

睡眠期間，線程可以被中斷，如果被中斷，sleep會拋出InterruptedException，關于中斷以及中斷處理，我們后續章節再介紹。

yield方法

Thread還有一個讓出CPU的方法：

public static native void yield();

這也是一個靜態方法，調用該方法，是告訴操作系統的調度器，我現在不著急占用CPU，你可以先讓其他線程運行。不過，這對調度器也僅僅是建議，調度器如何處理是不一定的，它可能完全忽略該調用。

join方法

在前面HelloThread的例子中，HelloThread沒執行完，main線程可能就執行完了，Thread有一個join方法，可以讓調用join的線程等待該線程結束，join方法的聲明為：

public final void join() throws InterruptedException

在等待線程結束的過程中，這個等待可能被中斷，如果被中斷，會拋出InterruptedException。

join方法還有一個變體，可以限定等待的最長時間，單位為毫秒，如果為0，表示無期限等待：

public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException

在前面的HelloThread示例中，如果希望main線程在子線程結束后再退出，main方法可以改為：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread thread = new HelloThread();
 thread.start();
 thread.join();
}

過時方法

Thread類中還有一些看上去可以控制線程生命周期的方法，如：

public final void stop()
public final void suspend()
public final void resume()

這些方法因為各種原因已被標記為了過時，我們不應該在程序中使用它們。

共享內存及問題

共享內存

前面我們提到，每個線程表示一條單獨的執行流，有自己的程序計數器，有自己的棧，但線程之間可以共享內存，它們可以訪問和操作相同的對象。我們看個例子，代碼如下：

public class ShareMemoryDemo {
 private static int shared = 0;
 private static void incrShared(){
  shared ++;
 }
 static class ChildThread extends Thread {
  List<String> list;
  
  public ChildThread(List<String> list) {
   this.list = list;
  }
  @Override
  public void run() {
   incrShared();
   list.add(Thread.currentThread().getName());
  }
 }
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  List<String> list = new ArrayList<String>();
  Thread t1 = new ChildThread(list);
  Thread t2 = new ChildThread(list);
  t1.start();
  t2.start();
  t1.join();
  t2.join();
  System.out.println(shared);
  System.out.println(list);
 }
}

在代碼中，定義了一個靜態變量shared和靜態內部類ChildThread，在main方法中，創建并啟動了兩個ChildThread對象，傳遞了相同的list對象，ChildThread的run方法訪問了共享的變量shared和list，main方法最后輸出了共享的shared和list的值，大部分情況下，會輸出期望的值：

[Thread-0, Thread-1]

通過這個例子，我們想強調說明執行流、內存和程序代碼之間的關系。

該例中有三條執行流，一條執行main方法，另外兩條執行ChildThread的run方法。

• 不同執行流可以訪問和操作相同的變量，如本例中的shared和list變量。
• 不同執行流可以執行相同的程序代碼，如本例中incrShared方法，ChildThread的run方法，被兩條ChildThread執行流執行，incrShared方法是在外部定義的，但被ChildThread的執行流執行，在分析代碼執行過程時，理解代碼在被哪個線程執行是很重要的。
• 當多條執行流執行相同的程序代碼時，每條執行流都有單獨的棧，方法中的參數和局部變量都有自己的一份。

當多條執行流可以操作相同的變量時，可能會出現一些意料之外的結果，我們來看下。

競態條件

所謂競態條件(race condition)是指，當多個線程訪問和操作同一個對象時，最終執行結果與執行時序有關，可能正確也可能不正確，我們看一個例子：

public class CounterThread extends Thread {
 private static int counter = 0;
 @Override
 public void run() {
  try {
   Thread.sleep((int)(Math.random()*100));
  } catch (InterruptedException e) {
  }
  counter ++;
 }
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  int num = 1000;
  Thread[] threads = new Thread[num];
  for(int i=0; i<num; i++){
   threads[i] = new CounterThread();
   threads[i].start();
  }
  for(int i=0; i<num; i++){
   threads[i].join();
  }
  System.out.println(counter);
 }
}

這段代碼容易理解，有一個共享靜態變量counter，初始值為0，在main方法中創建了1000個線程，每個線程就是隨機睡一會，然后對counter加1，main線程等待所有線程結束后輸出counter的值。

期望的結果是1000，但實際執行，發現每次輸出的結果都不一樣，一般都不是1000，經常是900多。為什么會這樣呢？因為counter++這個操作不是原子操作，它分為三個步驟：

• 取counter的當前值
• 在當前值基礎上加1
• 將新值重新賦值給counter

兩個線程可能同時執行第一步，取到了相同的counter值，比如都取到了100，第一個線程執行完后counter變為101，而第二個線程執行完后還是101，最終的結果就與期望不符。

怎么解決這個問題呢？有多種方法：

• 使用synchronized關鍵字
• 使用顯式鎖
• 使用原子變量

關于這些方法，我們在后續章節再介紹。

內存可見性

多個線程可以共享訪問和操作相同的變量，但一個線程對一個共享變量的修改，另一個線程不一定馬上就能看到，甚至永遠也看不到，這可能有悖直覺，我們來看一個例子。

public class VisibilityDemo {
 private static boolean shutdown = false;
 static class HelloThread extends Thread {
  @Override
  public void run() {
   while(!shutdown){
    // do nothing
   }
   System.out.println("exit hello");
  }
 }
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  new HelloThread().start();
  Thread.sleep(1000);
  shutdown = true;
  System.out.println("exit main");
 }
}

在這個程序中，有一個共享的boolean變量shutdown，初始為false，HelloThread在shutdown不為true的情況下一直死循環，當shutdown為true時退出并輸出"exit hello"，main線程啟動HelloThread后睡了一會，然后設置shutdown為true，最后輸出"exit main"。

期望的結果是兩個線程都退出，但實際執行，很可能會發現HelloThread永遠都不會退出，也就是說，在HelloThread執行流看來，shutdown永遠為false，即使main線程已經更改為了true。

這是怎么回事呢？這就是內存可見性問題。在計算機系統中，除了內存，數據還會被緩存在CPU的寄存器以及各級緩存中，當訪問一個變量時，可能直接從寄存器或CPU緩存中獲取，而不一定到內存中去取，當修改一個變量時，也可能是先寫到緩存中，而稍后才會同步更新到內存中。在單線程的程序中，這一般不是個問題，但在多線程的程序中，尤其是在有多CPU的情況下，這就是個嚴重的問題。一個線程對內存的修改，另一個線程看不到，一是修改沒有及時同步到內存，二是另一個線程根本就沒從內存讀。

怎么解決這個問題呢？有多種方法：

• 使用volatile關鍵字
• 使用synchronized關鍵字或顯式鎖同步

關于這些方法，我們在后續章節再介紹。

線程的優點及成本

優點

為什么要創建單獨的執行流？或者說線程有什么優點呢？至少有以下幾點：

• 充分利用多CPU的計算能力，單線程只能利用一個CPU，使用多線程可以利用多CPU的計算能力。
• 充分利用硬件資源，CPU和硬盤、網絡是可以同時工作的，一個線程在等待網絡IO的同時，另一個線程完全可以利用CPU，對于多個獨立的網絡請求，完全可以使用多個線程同時請求。
• 在用戶界面(GUI)應用程序中，保持程序的響應性，界面和后臺任務通常是不同的線程，否則，如果所有事情都是一個線程來執行，當執行一個很慢的任務時，整個界面將停止響應，也無法取消該任務。
• 簡化建模及IO處理，比如，在服務器應用程序中，對每個用戶請求使用一個單獨的線程進行處理，相比使用一個線程，處理來自各種用戶的各種請求，以及各種網絡和文件IO事件，建模和編寫程序要容易的多。

成本

關于線程，我們需要知道，它是有成本的。創建線程需要消耗操作系統的資源，操作系統會為每個線程創建必要的數據結構、棧、程序計數器等，創建也需要一定的時間。

此外，線程調度和切換也是有成本的，當有當量可運行線程的時候，操作系統會忙于調度，為一個線程分配一段時間，執行完后，再讓另一個線程執行，一個線程被切換出去后，操作系統需要保存它的當前上下文狀態到內存，上下文狀態包括當前CPU寄存器的值、程序計數器的值等，而一個線程被切換回來后，操作系統需要恢復它原來的上下文狀態，整個過程被稱為上下文切換，這個切換不僅耗時，而且使CPU中的很多緩存失效，是有成本的。

當然，這些成本是相對而言的，如果線程中實際執行的事情比較多，這些成本是可以接受的，但如果只是執行本節示例中的counter++，那相對成本就太高了。

另外，如果執行的任務都是CPU密集型的，即主要消耗的都是CPU，那創建超過CPU數量的線程就是沒有必要的，并不會加快程序的執行。

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