Java并发编程(01)：线程的创建方式，状态周期管理

一、并发编程简介

1、基础概念

• 程序

与计算机系统操作有关的计算机程序、规程、规则，以及可能有的文件、文档及数据。

• 进程

进程是计算机中的程序，关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

• 线程

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

• 顺序编程

程序中的所有步骤在任意时刻只能执行一个步骤。编程中绝大部分场景都是基于顺序编程。

• 并发编程

在一台处理器上“同时”处理多个任务，并行处理程序中的复杂耗时任务。并发是在同一实体上的多个事件。多个事件在同一时间间隔发生。

2、入门案例

public class HelloThread {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello,Thread");
        // 当前线程名称
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        // 线程系统的管理接口
        ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
        long[] threadIds = threadMXBean.getAllThreadIds() ;
        for (long id : threadIds) {
            ThreadInfo threadInfo = threadMXBean.getThreadInfo(id) ;
            System.out.println(threadInfo.getThreadId()+
                    ":"+threadInfo.getThreadName());
        }
    }
}

打印结果：

5:Monitor Ctrl-Break
4:Signal Dispatcher
3:Finalizer
2:Reference Handler
1:main

由此可知上述一段简单的Java程序，不止一条main线程在执行。

二、线程创建方式

1、继承Thread类

Thread类的基础结构：

class Thread implements Runnable

这里已经实现了Runnable接口。

public class CreateThread01 {
    public static void main(String[] args) {
        // 调用方法
        MyThread1 myThread1 = new MyThread1() ;
        myThread1.start();
    }
}
class MyThread1 extends Thread {
    // 设置线程名称
    public MyThread1 (){
        super("CicadaThread");
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

2、实现Runnable接口

如果创建的线程类已经存在父类，则不能再继承Thread类，在Java中不允许多继承，这时就可以实现Runnable接口。

public class CreateThread02 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new MyThread2(),"MyThread2") ;
        thread.start();
    }
}
class MyThread2 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" run ...");
    }
}

3、匿名内部类

在一个类里面定义一个类，称为内部类。内部类就相当于外部类的一个成员，可以把内部类看成一个整体。

public class CreateThread03 {
    public static void main(String[] args) {
        //方式1
        new Thread("ThreadName1") {
            public void run() {
                System.out.println("1:"+Thread.currentThread().getName());
            };
        }.start();

        //方式2
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println("2:"+Thread.currentThread().getName());
            }
        },"ThreadName2"){
            // 这里重写了run方法
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("3:"+Thread.currentThread().getName());
            }
        }.start();
    }
}

4、返回值线程

顾名思义，该线程线程异步执行后，可以返回线程的处理结果。

public class CreateThread04 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyThread4 myThread4 = new MyThread4();
        FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(myThread4);
        Thread thread = new Thread(task,"TaskThread");
        thread.start();
        // 等待获取结果
        // Integer result = task.get();
        // 设置获取结果的等待时间，超时抛出：TimeoutException
        Integer result = task.get(3, TimeUnit.SECONDS) ;
        System.out.println("result="+result);
    }
}
class MyThread4 implements Callable<Integer> {
    // 封装线程执行的任务
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(1000);
        return 2+3;
    }
}

5、定时任务

Timer是后台线程执行任务调度的工具类，可以根据规则配置定期执行或者重复执行。

class TimerTask implements Runnable

任务类：TimerTask结构实现Runnable接口。

public class CreateThread05 {
    public static void main(String[] args) {
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("延迟1s,每隔3s执行一次");
            }
        }, 1000, 3000);
    }
}

6、线程池管理

线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。

public class CreateThread06 {
    public static void main(String[] args) {
        Executor threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for(int i = 0 ;i < 5 ; i++) {
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                }
            });
        }
    }
}

三、线程状态管理

1、状态描述

• NEW

初始状态：构建线程实例后，调用start()方法启动前，处于该状态。

• RUNNABLE

运行状态：在Java线程中，就绪和运行两个状态称作运行状态，在实际的执行过程中，这两个状态是随时可能切换的。启动start()方法被调用，或者sleep()后，join()结束等，就进入RUNNABLE就绪状态，开始等待CPU时间片；线程调度选中该线程、并分配了CPU时间片后，该线程尽管处于Runnable状态，就是运行状态(Running)；

• BLOCKED

阻塞状态：通常指被锁机制阻塞，表示线程正在获取有锁控制的资源。

• WAITING

等待状态：进入该状态的线程，等待被其他线程发出通知或中断，也称显式唤醒。

• TIMED_WAITING

超时等待状态：该状态不同于WAITING状态，该状态的线程可以在指定的时间后自动唤醒；

• TERMINATED

终止状态：表示当前线程任务执行完毕。

2、案例流程分析

public class StateCycle01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 进入初始状态
        StateThread01 stateThread01 = new StateThread01();
        FutureTask<String> task = new FutureTask<>(stateThread01);
        Thread thread = new Thread(task,"GetValueThread");
        // 运行状态
        thread.start();
        // 超时等待结果
        String result = task.get(3, TimeUnit.SECONDS) ;
        System.out.println("result="+result);

        StateThread02 stateThread02 = new StateThread02() ;
        Thread thread1 = new Thread(stateThread02,"WaitThread");
        thread1.start();
    }
}
class StateThread01 implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        // 超时等待
        Thread.sleep(1000);
        return "Hello,Cicada";
    }
}
class StateThread02 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        synchronized (StateCycle01.class) {
            System.out.println("进入线程...");
            try {
                // 等待状态，放弃对象锁
                StateCycle01.class.wait(2000);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程继续...");
        }
    }
}

上述流程描述了线程不同状态之间的切换，基本流程图如下。

线程的状态描述起来不算复杂，但是每个状态间的切换，是非常的复杂，后续会分模块单个解释。

四、优缺点总结

1、优点说明

最直接作用使程序执行的效率大幅度提升;程序异步解耦，在web开发中，经常有后续的程序要执行，有需要快速的用户界面响应；当然熟练使用并发编程，也是一个优秀程序员必备技能 。

2、缺点分析

并发编程学习的曲线非常陡峭，难度较大；多线程之间争抢资源容易出现问题；并不是线程越多，执行速度就越快，线程之前切换是耗时的，需要合理创建和使用锁机制；线程创建和之间的通信需要很清晰的逻辑；线程死锁问题更是无法完全避免的问题；所以在一般情况下公司对线程使用的规范是十分严格的。