面向?qū)ο蟪绦蛟O計項目教程本章學習目標：●

掌握線程創(chuàng)建的過程●

掌握線程的生命周期●掌了解線程同步機制以及線程通信●

了解線程的優(yōu)先級●

掌握線程的同步與死鎖項目12認識多線程任務1part了解線程在Windows操作系統(tǒng)中，右擊任務欄，選擇“啟動任務管理器”菜單命令，可以打開“Windows任務管理器”窗口，該窗口中的“進程”選項卡中顯示系統(tǒng)當前正在運行的進程，如圖12.1所示。1.1線程和進程進程

進程具有如下三個特征：

（1）獨立性：進程是操作系統(tǒng)中獨立存在的實體，擁有自己獨立的資源，每個進行都擁有自己私有的地址空間，其他進程不可以直接訪問該地址空間，除非進程本身允許的情況下才能進行訪問。

（2）動態(tài)性：程序只是一個靜態(tài)的指令集合，只有當程序進入內(nèi)存運行時，才變成一個進程。進程是一個正在內(nèi)存中運行的、動態(tài)的指令集合，進程具有自己的生命周期和各種不同狀態(tài)。

（3）并發(fā)性：多個進程可以在單個處理器上并發(fā)執(zhí)行，多個進程之間互不影響。1.1線程和進程

線程是進程的組成部分，一個線程必須在一個進程之內(nèi)，而一個進程可以擁有多個線程，一個進程中至少有一個線程。線程是最小的處理單位，線程可以擁有自己的堆棧、計數(shù)器和局部變量，當不能擁有系統(tǒng)資源，多個線程共享其所在進程的系統(tǒng)資源。線程可以完成一定的任務，使用多線程可以在一個程序中同時完成多個任務，在更低的層次中引入多任務處理。

多線程在多CPU的計算機中可以實現(xiàn)真正物理上的同時執(zhí)行；而對于單CPU的計算機實現(xiàn)的只是邏輯上的同時執(zhí)行，在每個時刻，真正執(zhí)行的只有一個線程，由操作系統(tǒng)進行線程管理調(diào)度，但由于CPU的速度很快，讓人感到像是多個線程在同時執(zhí)行。1.1線程和進程線程

多線程擴展了多進程的概念，使得同一個進程可以同時并發(fā)處理多個任務。因此，線程也被稱作輕量級進程。多進程與多線程是多任務的兩種類型，兩者之間的主要區(qū)別如下：

（1）進程之間的數(shù)據(jù)塊是相互獨立的，彼此互不影響，進程之間需要通過信號、管道等進行交互。

（2）多線程之間的數(shù)據(jù)塊可以共享，一個進程中的多個線程可以共享程序段、數(shù)據(jù)段等資源。多線程比多進程更便于資源共享，同時Java提供的同步機制還可以解決線程之間的數(shù)據(jù)完整性問題，使得多線程設計更易發(fā)揮作用。多線程編程的優(yōu)點如下：

（1）多線程之間共享內(nèi)存，節(jié)約系統(tǒng)資源成本；

（2）充分利用CPU，執(zhí)行并發(fā)任務效率高；

（3）Java內(nèi)置多線程功能支持，簡化編程模型

（4）GUI應用通過啟動單獨線程收集用戶界面事件，簡化異步事件處理，使GUI界面的交互性更好。1.1線程和進程Java線程模型提供線程所必需的功能支持，基本的Java線程模型有Thread類、Runnable接口、Callable接口和Future接口等，這些線程模型都是面向?qū)ο蟮?。Thread類將線程所必需的功能進行封裝，其常用的方法如表12-1所示。1.2Java線程模型Thread類的run()方法是線程中最重要的方法，該方法用于執(zhí)行線程要完成的任務；當創(chuàng)建一個線程時，要完成自己的任務，則需要重寫run()方法。此外，Thread類還提供了start()方法，該方法用于負責線程的啟動；當調(diào)用start()方法成功地啟動線程后，系統(tǒng)會自動調(diào)用Thread類的run()方法來執(zhí)行線程。因此，任何繼承Thread類的線程都可以通過start()方法來啟動。Runnable接口用于標識某個Java類可否作為線程類，該接口只有一個抽象方法run()，即線程中最重要的執(zhí)行體，用于執(zhí)行線程中所要完成的任務。Runnable接口定義在java.lang包中，定義代碼如下所示。packagejava.lang;publicinterfaceRunnable{ publicabstractvoidrun();}1.2Java線程模型Callable接口是Java5新增的接口，該接口中提供一個call()方法作為線程的執(zhí)行體。call()方法比run()方法功能更強大，call()方法可以有返回值，也可以聲明拋出異常。Callable接口定義在java.util.concurrent包中，定義代碼如下所示。packagejava.util.concurrent;publicinterfaceCallable<V>{ Vcall()throwsException;}1.2Java線程模型Future接口用來接收Callable接口中call()方法的返回值。Future接口提供一些方法用于控制與其關(guān)聯(lián)的Callable任務。Future接口提供的方法如表12-2所示。1.2Java線程模型Callable接口有泛型限制，該接口中的泛型形參類型與call()方法返回值的類型相同；而且Callable接口是函數(shù)式接口，因此從Java8開始可以使用Lambda表達式創(chuàng)建Callable對象。

每個能夠獨立運行的程序就是一個進程，每個進程至少包含一個線程，即主線程。在Java語言中，每個能夠獨立運行的Java程序都至少有一個主線程，且在程序啟動時，JVM會自動創(chuàng)建一個主線程來執(zhí)行該程序中的main()方法。因此，主線程有以下兩個特點：

（1）一個進程肯定包含一個主線程

（2）主線程用來執(zhí)行main()方法

1.3主線程主線程任務2part創(chuàng)建線程

基于Java線程模型，創(chuàng)建線程的方式有三種：

（1）第一種方式是繼承Thread類，重寫Thread類中的run()方法，直接創(chuàng)建線程。

（2）第二種方式是實現(xiàn)Runnable接口，再通過Thread類和Runnable的實現(xiàn)類間接創(chuàng)建一個線程。

（3）第三種方式是使用Callable接口或Future接口間接創(chuàng)建線程。

創(chuàng)建線程2.1繼承Thread類

通過繼承Thread類來創(chuàng)建并啟動線程的步驟如下：

（1）定義一個子類繼承Thread類，并重寫run()方法。

（2）創(chuàng)建子類的實例，即實例化線程對象。

（3）調(diào)用線程對象的start()方法啟動該線程。Thread類的start()方法將調(diào)用run()方法，該方法用于啟動線程并運行。因此start()方法不能多次調(diào)用，當多次調(diào)用td.start()方法時會拋出一個IllegalThreadStateException異常。

繼承Thread類2.2實現(xiàn)Runable接口

創(chuàng)建線程的第二種方式是實現(xiàn)Runnable接口。Runnable接口中只有一個run()方法，一個類實現(xiàn)Runnable接口后，并不代表該類是個“線程”類，不能直接啟動線程，必須通過Thread類的實例來創(chuàng)建并啟動線程。通過Runnable接口創(chuàng)建并啟動線程的步驟如下：

（1）定義一個類實現(xiàn)Runnable接口，并實現(xiàn)該接口中的run()方法；

（2）創(chuàng)建一個Thread類的實例，將Runnable接口的實現(xiàn)類所創(chuàng)建的對象作為參數(shù)傳入Thread類的構(gòu)造方法中；

（3）調(diào)用Thread對象的start()方法啟動該線程。

2.3使用Callable和Future接口

創(chuàng)建線程的第三種方式是使用Callable和Future接口。Callable接口提供一個call()方法作為線程的執(zhí)行體，該方法的返回值使用Future接口來代表。從Java5開始，為Future接口提供一個FutureTask實現(xiàn)類，該類同時實現(xiàn)了Future和Runnable兩個接口，因此可以作為Thread類的target參數(shù)。使用Callable和Future接口的最大優(yōu)勢在于可以在線程執(zhí)行完成之后獲得執(zhí)行結(jié)果。

使用Callable和Future接口創(chuàng)建并啟動線程的步驟如下：

（1）創(chuàng)建Callable接口的實現(xiàn)類，并實現(xiàn)call()方法，該方法將作為線程的執(zhí)行體，并具有返回值；然后創(chuàng)建Callable實現(xiàn)類的實例。

（2）使用FutureTask類來包裝Callable對象，在FutureTask對象中封裝了Callable對象的call()方法的返回值。

（3）使用FutureTask對象作為Thread對象的target，創(chuàng)建并啟動新線程。

（4）調(diào)用FutureTask對象的get()方法來獲得子線程執(zhí)行結(jié)束后的返回值。

任務3part掌握線程的生命周期

線程具有生命周期，當線程被創(chuàng)建并啟動后，不會立即進入執(zhí)行狀態(tài)，也不會一直處于執(zhí)行狀態(tài)。在線程的生命周期中，要經(jīng)過5種狀態(tài)：新建（New）、就緒（Runnable）、運行（Running）、阻塞（Blocked）和死亡（Dead）。線程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖12-3所示。線程的生命周期本節(jié)介紹3.1新建和就緒狀態(tài)

當程序使用new關(guān)鍵字創(chuàng)建一個線程之后，該線程就處于新建狀態(tài)。新建狀態(tài)的線程沒有表現(xiàn)出任何動態(tài)特征，程序也不會執(zhí)行線程的執(zhí)行體。當線程對象調(diào)用start()方法之后，線程就處于就緒狀態(tài)，相當于“等待執(zhí)行”。此時，調(diào)度程序就可以把CPU分配給該線程，JVM會為線程創(chuàng)建方法調(diào)用棧和程序計數(shù)器。處于就緒狀態(tài)的線程并沒有開始運行，只是表示該線程準備就緒等待執(zhí)行。

注意只能對新建狀態(tài)的線程調(diào)用start()方法，即new完一個線程后，只能調(diào)用一次start()方法，否則將引發(fā)IllegalThreadStateException異常。

3.2運行和阻塞狀態(tài)

處于就緒狀態(tài)的線程獲得CPU后，開始執(zhí)行run()方法的線程執(zhí)行體，此時該線程處于運行狀態(tài)。如果計算機的CPU是單核的，則在任何時刻只有一個線程處于運行狀態(tài)。一個線程開始運行后，不可能一直處于運行狀態(tài)。線程在運行過程中需要被中斷，目的是使其他線程獲得執(zhí)行的機會，線程調(diào)度的細節(jié)取決于底層平臺所采用的策略。

目前UNIX系統(tǒng)采用的是時間片算法策略，Windows系統(tǒng)采用的則是搶占式策略，另外一種小型設備（手機）則可能采用協(xié)作式調(diào)度策略。對于采用搶占式策略的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)會給每個可執(zhí)行的線程一個小時間段來處理任務；當該時間段用完后，系統(tǒng)就會剝奪該線程所占用的資源，讓其他線程獲得執(zhí)行的機會。在選擇下一個線程時，系統(tǒng)會考慮線程的優(yōu)先級。運行和阻塞狀態(tài)當線程出現(xiàn)以下情況時，會進入阻塞狀態(tài)：（1）調(diào)用sleep()方法，主動放棄所占用的處理器資源；（2）調(diào)用了一個阻塞式IO方法，在該方法返回之前，該線程被阻塞；（3）線程試圖獲得一個同步監(jiān)視器，但該同步監(jiān)視器正被其他線程所持有；（4）執(zhí)行條件還未滿足，調(diào)用wait()方法使線程進入等待狀態(tài)，等待其他線程的通知；（5）程序調(diào)用了線程的suspend()方法將該線程掛起，但該方法容易導致死鎖，因此應該盡量避免使用。3.2運行和阻塞狀態(tài)

正在執(zhí)行的線程被阻塞之后，其他線程就可以獲得執(zhí)行的機會，被阻塞的線程會在合適的時機重新進入就緒狀態(tài)，等待線程調(diào)度器再次調(diào)度。

當線程出現(xiàn)如下幾種情況時，線程可以解除阻塞進入就緒狀態(tài)：

（1）調(diào)用sleep()方法的線程經(jīng)過了指定的時間；

（2）線程調(diào)用的阻塞式IO方法以經(jīng)返回；

（3）線程成功地獲得了同步監(jiān)視器；

（4）線程處于等待狀態(tài)，其他線程調(diào)用notify()或notifyAll()方法發(fā)出了一個通知時，則線程回到就緒狀態(tài)；

（5）處于掛起狀態(tài)的線程被調(diào)用了resume()恢復方法。3.2運行和阻塞狀態(tài)

在線程運行的過程中，可以通過sleep()方法使線程暫時停止運行，進入休眠狀態(tài)。在使用sleep()方法時需要注意以下兩點：

（1）sleep()方法的參數(shù)是以毫秒為基本單位，例如sleep(2000)則休眠2秒鐘；

（2）sleep()方法聲明了InterruptedException異常，因此調(diào)用sleep()方法時要么放在try…catch語句中捕獲該異常并處理，要么在方法后使用throws顯式聲明拋出該異常。

可以通過Thread類的isAlive()方法來判斷線程是否處于運行狀態(tài)。當線程處于就緒、運行和阻塞三種狀態(tài)時，isAlive()方法的返回值為true；當線程處于新建、死亡兩種狀態(tài)時，isAlive()方法的返回值為false。3.2死亡狀態(tài)線程結(jié)束后就處于死亡狀態(tài)，結(jié)束線程有以下三種方式：（1）線程執(zhí)行完成run()或call()方法，線程正常結(jié)束；（2）線程拋出一個未捕獲的Exception或Error；（3）調(diào)用stop()方法直接停止線程，該方法容易導致死鎖，通常不推薦使用。3.3死亡狀態(tài)

主線程結(jié)束時，其他子線程不受任何影響，并不會隨主線程的結(jié)束而結(jié)束。一旦子線程啟動起來，子線程就擁有和主線程相同的地位，子線程不會受主線程的影響。

為了測試某個線程是否死亡，可以通過線程對象的isAlive()方法來獲得線程狀態(tài)，當方法返回值為false時，線程處于死亡或新建狀態(tài)。不要試圖對一個已經(jīng)死亡的線程調(diào)用start()方法使其重新啟動，線程死亡就是死亡，該線程不可再次作為線程執(zhí)行。Thread類中的join()方法可以讓一個線程等待另一個線程完成后，繼續(xù)執(zhí)行原線程中的任務。當在某個程序執(zhí)行流中調(diào)用其他線程的join()方法時，當前線程將被阻塞，直到另一個線程執(zhí)行完為止。join()方法通常由使用線程的程序調(diào)用，當其他線程都執(zhí)行結(jié)束后，再調(diào)用主線程進一步操作。

3.3任務4part了解線程的優(yōu)先級Thread類提供三個靜態(tài)常量來標識線程的優(yōu)先級：

（1）MAX_PRIORITY：最高優(yōu)先級，其值為10；

（2）NORM_PRIORITY：普通優(yōu)先級，其值為5；

（3）MIN_PRIORITY：最低優(yōu)先級，其值為1。線程的優(yōu)先級Thread類提供了setPriority()方法來對線程的優(yōu)先級進行設置，而getPriority()方法來獲取線程的優(yōu)先級。setPriority()方法的參數(shù)是一個整數(shù)（1～10），也可以使用Thread類提供的三個優(yōu)先級靜態(tài)常量。

線程的優(yōu)先級高度依賴于操作系統(tǒng)，并不是所有的操作系統(tǒng)都支持Java的10個優(yōu)先級，例如Windows2000僅提供7個優(yōu)先級。因此，盡量避免直接使用整數(shù)給線程指定優(yōu)先級，提倡使用MAX_PRIORITY、NORM_PRIORITY和MIN_PRIORITY三個優(yōu)先級靜態(tài)常量。線程的優(yōu)先級任務5part掌握線程的同步5.1同步代碼塊

使用同步代碼塊實現(xiàn)同步功能，只需將對實例的訪問語句放入一個同步塊中，其語法格式如下：synchronized(object){ //需要同步的代碼塊}

其中：synchronized是同步關(guān)鍵字；object是同步監(jiān)視器，其數(shù)據(jù)類型不能是基本數(shù)據(jù)類型。線程開始執(zhí)行同步代碼之前，必須先獲得同步監(jiān)視器的鎖定，并且，任何時刻只能有一個線程可以獲得對同步監(jiān)視器的鎖定，當同步代碼塊執(zhí)行完成后，該線程會釋放對該同步監(jiān)視器的鎖定。5.2同步方法

同步方法是使用synchronized關(guān)鍵字修飾的方法，其聲明的語法格式如下：[訪問修飾符]synchronized返回類型方法名([參數(shù)列表]){ //方法體}

其中：synchronized關(guān)鍵字修飾的實例方法無須顯式地指定同步監(jiān)視器，同步方法的同步監(jiān)視器是this，即該方法所屬的對象。一旦一個線程進入一個實例的任何同步方法，其他線程將不能進入該實例的所有同步方法，但該實例的非同步方法仍然能夠被調(diào)用。

5.3同步鎖

同步鎖Lock是一種更強大的線程同步機制，通過顯式定義同步鎖對象來實現(xiàn)線程同步。同步鎖提供了比同步代碼塊、同步方法更廣泛的鎖定操作，實現(xiàn)更靈活。Lock是控制多個線程對共享資源進行訪問的工具，能夠?qū)蚕碣Y源進行獨占訪問。每次只能有一個線程對Lock對象加鎖，線程訪問共享資源之前需要先獲得Lock對象。某些鎖可能允許對共享資源并發(fā)訪問，如ReadWriteLock（讀寫鎖）。Lock和ReadWriteLock是Java5提供的關(guān)于鎖的兩個根接口，并為Lock提供了ReentrantLock（可重入鎖）實現(xiàn)類，為ReadWriteLock提供了ReentrantReadWriteLock實現(xiàn)類。從Java8開始，又新增了StampedeLock類，可以替代傳統(tǒng)的ReentrantReadWriteLock類。同步鎖ReentrantLock類是常用的可重入同步鎖，該類對象可以顯式地加鎖、釋放鎖。使用ReentrantLock類的步驟如下：

（1）定義一個ReentrantLock鎖對象，該對象是final常量；privatefinalReentrantLocklock=newReentrantLock();

（2）在需要保證線程安全的代碼之前增加“加鎖”操作；lock.lock();

（3）在執(zhí)行完線程安全的代碼后“釋放鎖”。lock.unlock();5.3同步鎖下述代碼示例了使用ReentrantLock鎖的基本步驟：//1.定義鎖對象privatefinalReentrantLocklock=newReentrantLock();...//定義需要保證線程安全的方法publicvoidmyMethod(){//2.加鎖lock.lock();try{//需要保證線程安全的代碼...}finally{//3.釋放鎖lock.unlock();}}

其中：加鎖和釋放鎖都需要放在線程安全的方法中；lock.unlock()放在finally語句中，不管發(fā)生異常與否，都需要釋放鎖。5.3任務6part實現(xiàn)線程通信線程通信可以使用Object類中定義的wait()、notify()和notifyAll()方法，使線程之間相互進行事件通知。在執(zhí)行這些方法時，必須同時擁有相關(guān)對象的鎖。

（1）wait()方法：讓當前線程等待，并釋放對象鎖，直到其他線程調(diào)用該監(jiān)視器的notify()或notifyAll()方法來喚醒該線程。wait()方法也可以帶一個參數(shù)，用于指明等待的時間，使用這種方式不需要notify()或notifyAll()方法來喚醒。wait()方法只能在同步方法中調(diào)用。