Java 基础 多线程和线程池基础
一,多线程
1.1 多线程介绍
进程:进程指正在运行的程序。确切的来说,当一个程序进入内存运行,即变成一个进程,进程是处于运行过程中的程序,并且具有一定独立功能。
线程:线程是进程中的一个执行单元,负责当前进程中程序的执行,一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的,这个应用程序也可以称之为多线程程序。
简而言之:一个程序运行后至少有一个进程,一个进程中可以包含多个线程
什么是多线程呢?即就是一个程序中有多个线程在同时执行。
通过下图来区别单线程程序与多线程程序的不同:
单线程程序:即,若有多个任务只能依次执行。当上一个任务执行结束后,下一个任务开始执行。如,去网吧上网,网吧只能让一个人上网,当这个人下机后,下一个人才能上网。
多线程程序:即,若有多个任务可以同时执行。如,去网吧上网,网吧能够让多个人同时上网。
1.2 程序运行原理
分时调度
所有线程轮流使用 CPU 的使用权,平均分配每个线程占用 CPU 的时间。
抢占式调度
优先让优先级高的线程使用 CPU,如果线程的优先级相同,那么会随机选择一个(线程随机性),Java使用的为抢占式调度。
如下示例:
抢占式调度详解
大部分操作系统都支持多进程并发运行,现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如:现在我们上课一边使用编辑器,一边使用录屏软件,同时还开着画图板,dos窗口等软件。此时,这些程序是在同时运行,”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。
实际上,CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言,某个时刻,只能执行一个线程,而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快,看上去就是在同一时刻运行。
其实,多线程程序并不能提高程序的运行速度,但能够提高程序运行效率,让CPU的使用率更高。
1.3 主线程
回想我们以前学习中写过的代码,当我们在dos命令行中输入java空格类名回车后,启动JVM,并且加载对应的class文件。虚拟机并会从main方法开始执行我们的程序代码,一直把main方法的代码执行结束。如果在执行过程遇到循环时间比较长的代码,那么在循环之后的其他代码是不会被马上执行的。如下代码演示:
class Demo{ String name; Demo(String name){ this.name = name; } void show() { for (int i=1;i<=10000 ;i++ ) { System.out.println("name="+name+",i="+i); } } } class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { Demo d = new Demo("小强"); Demo d2 = new Demo("旺财"); d.show(); d2.show(); System.out.println("Hello World!"); } }
若在上述代码中show方法中的循环执行次数很多,这时在d.show();下面的代码是不会马上执行的,并且在dos窗口会看到不停的输出name=小强,i=值,这样的语句。为什么会这样呢?
原因是:jvm启动后,必然有一个执行路径(线程)从main方法开始的,一直执行到main方法结束,这个线程在java中称之为主线程。当程序的主线程执行时,如果遇到了循环而导致程序在指定位置停留时间过长,则无法马上执行下面的程序,需要等待循环结束后能够执行。
那么,能否实现一个主线程负责执行其中一个循环,再由另一个线程负责其他代码的执行,最终实现多部分代码同时执行的效果?
能够实现同时执行,通过Java中的多线程技术来解决该问题。
1.4 Thread类
该如何创建线程呢?通过API中搜索,查到Thread类。通过阅读Thread类中的描述。Thread是程序中的执行线程。Java 虚拟机允许应用程序并发地运行多个执行线程。
继续阅读,发现创建新执行线程有两种方法。
一种方法是将类声明为 Thread 的子类。该子类应重写 Thread 类的 run 方法。创建对象,开启线程。run方法相当于其他线程的main方法。
另一种方法是声明一个实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象,传入到某个线程的构造方法中,开启线程
1.5 创建线程方式一继承Thread类
创建线程的步骤:
1 定义一个类继承Thread。
2 重写run方法。
3 创建子类对象,就是创建线程对象。
4 调用start方法,开启线程并让线程执行,同时还会告诉jvm去调用run方法。
测试类
public class Demo01 { public static void main(String[] args) { //创建自定义线程对象 MyThread mt = new MyThread("新的线程!"); //开启新线程 mt.start(); //在主方法中执行for循环 for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("main线程!"+i); } } }
自定义线程类
public class MyThread extends Thread { //定义指定线程名称的构造方法 public MyThread(String name) { //调用父类的String参数的构造方法,指定线程的名称 super(name); } /** * 重写run方法,完成该线程执行的逻辑 */ @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(getName()+":正在执行!"+i); } } }
思考:线程对象调用 run方法和调用start方法区别?
线程对象调用run方法不开启线程。仅是对象调用方法。线程对象调用start开启线程,并让jvm调用run方法在开启的线程中执行。
继承Thread类原理
我们为什么要继承Thread类,并调用其的start方法才能开启线程呢?
继承Thread类:因为Thread类用来描述线程,具备线程应该有功能。那为什么不直接创建Thread类的对象呢?如下代码:
Thread t1 = new Thread(); t1.start();//这样做没有错,但是该start调用的是Thread类中的run方法,而这个run方法没有做什么事情,更重要的是这个run方法中并没有定义我们需要让线程执行的代码。
创建线程的目的是什么?
是为了建立程序单独的执行路径,让多部分代码实现同时执行。也就是说线程创建并执行需要给定线程要执行的任务。
对于之前所讲的主线程,它的任务定义在main函数中。自定义线程需要执行的任务都定义在run方法中。
Thread类run方法中的任务并不是我们所需要的,只有重写这个run方法。既然Thread类已经定义了线程任务的编写位置(run方法),那么只要在编写位置(run方法)中定义任务代码即可。所以进行了重写run方法动作。
多线程的内存图解
多线程执行时,到底在内存中是如何运行的呢?
以上个程序为例,进行图解说明:
多线程执行时,在栈内存中,其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间。进行方法的压栈和弹栈。
当执行线程的任务结束了,线程自动在栈内存中释放了。但是当所有的执行线程都结束了,那么进程就结束了。
获取线程名称
开启的线程都会有自己的独立运行栈内存,那么这些运行的线程的名字是什么呢?该如何获取呢?既然是线程的名字,按照面向对象的特点,是哪个对象的属性和谁的功能,那么我们就去找那个对象就可以了。查阅Thread类的API文档发现有个方法是获取当前正在运行的线程对象。还有个方法是获取当前线程对象的名称。既然找到了,我们就可以试试。
代码示例:
class MyThread extends Thread { //继承Thread MyThread(String name){ super(name); } //复写其中的run方法 public void run(){ for (int i=1;i<=20 ;i++ ){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",i="+i); } } } class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { //创建两个线程任务 MyThread d = new MyThread(); MyThread d2 = new MyThread(); d.run();//没有开启新线程, 在主线程调用run方法 d2.start();//开启一个新线程,新线程调用run方法 } }
通过结果观察,原来主线程的名称:main;自定义的线程:Thread-0,线程多个时,数字顺延。如Thread-1......
进行多线程编程时,不要忘记了Java程序运行是从主线程开始,main方法就是主线程的线程执行内容。
1.6 创建线程方式二实现Runnable接口
创建线程的另一种方法是声明实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象,传入到某个线程的构造方法中,开启线程。
为何要实现Runnable接口,Runable是啥玩意呢?继续API搜索。
查看Runnable接口说明文档:Runnable接口用来指定每个线程要执行的任务。包含了一个 run 的无参数抽象方法,需要由接口实现类重写该方法。
创建线程的步骤。
1、定义类实现Runnable接口。
2、覆盖接口中的run方法。。
3、创建Thread类的对象
4、将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数。
5、调用Thread类的start方法开启线程。
代码演示:
public class Demo02 { public static void main(String[] args) { //创建线程执行目标类对象 Runnable runn = new MyRunnable(); //将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数 Thread thread = new Thread(runn); Thread thread2 = new Thread(runn); //开启线程 thread.start(); thread2.start(); for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("main线程:正在执行!"+i); } } }
自定义线程执行任务类
public class MyRunnable implements Runnable{ //定义线程要执行的run方法逻辑 @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("我的线程:正在执行!"+i); } } }
实现Runnable的原理
为什么需要定一个类去实现Runnable接口呢?继承Thread类和实现Runnable接口有啥区别呢?
实现Runnable接口,避免了继承Thread类的单继承局限性。覆盖Runnable接口中的run方法,将线程任务代码定义到run方法中。
创建Thread类的对象,只有创建Thread类的对象才可以创建线程。线程任务已被封装到Runnable接口的run方法中,而这个run方法所属于Runnable接口的子类对象,所以将这个子类对象作为参数传递给Thread的构造函数,这样,线程对象创建时就可以明确要运行的线程的任务。
实现Runnable的好处
第二种方式实现Runnable接口避免了单继承的局限性,所以较为常用。实现Runnable接口的方式,更加的符合面向对象,线程分为两部分,一部分线程对象,一部分线程任务。继承Thread类,线程对象和线程任务耦合在一起。一旦创建Thread类的子类对象,既是线程对象,有又有线程任务。实现runnable接口,将线程任务单独分离出来封装成对象,类型就是Runnable接口类型。Runnable接口对线程对象和线程任务进行解耦。
1.7 线程的匿名内部类使用
使用线程的内匿名内部类方式,可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。
方式1:创建线程对象时,直接重写Thread类中的run方法
new Thread() { public void run() { for (int x = 0; x < 40; x++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "...X...." + x); } } }.start();
方式2:使用匿名内部类的方式实现Runnable接口,重新Runnable接口中的run方法
Runnable r = new Runnable() { public void run() { for (int x = 0; x < 40; x++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "...Y...." + x); } } }; new Thread(r).start();
二,线程池
2.1 线程池概念
线程池,其实就是一个容纳多个线程的容器,其中的线程可以反复使用,省去了频繁创建线程对象的操作,无需反复创建线程而消耗过多资源。
我们详细的解释一下为什么要使用线程池?
在java中,如果每个请求到达就创建一个新线程,开销是相当大的。在实际使用中,创建和销毁线程花费的时间和消耗的系统资源都相当大,甚至可能要比在处理实际的用户请求的时间和资源要多的多。除了创建和销毁线程的开销之外,活动的线程也需要消耗系统资源。如果在一个jvm里创建太多的线程,可能会使系统由于过度消耗内存或“切换过度”而导致系统资源不足。为了防止资源不足,需要采取一些办法来限制任何给定时刻处理的请求数目,尽可能减少创建和销毁线程的次数,特别是一些资源耗费比较大的线程的创建和销毁,尽量利用已有对象来进行服务。
线程池主要用来解决线程生命周期开销问题和资源不足问题。通过对多个任务重复使用线程,线程创建的开销就被分摊到了多个任务上了,而且由于在请求到达时线程已经存在,所以消除了线程创建所带来的延迟。这样,就可以立即为请求服务,使用应用程序响应更快。另外,通过适当的调整线程中的线程数目可以防止出现资源不足的情况。
2.2 线程池的使用方式一Runnable接口
通常,线程池都是通过线程池工厂创建,再调用线程池中的方法获取线程,再通过线程去执行任务方法。
Executors:线程池创建工厂类
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads):返回线程池对象
ExecutorService:线程池类
Future<?> submit(Runnable task):获取线程池中的某一个线程对象,并执行
Future接口:用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用
使用线程池中线程对象的步骤:
创建线程池对象
创建Runnable接口子类对象
提交Runnable接口子类对象
关闭线程池
代码演示:
public class ThreadPoolDemo { public static void main(String[] args) { //创建线程池对象 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象 //创建Runnable实例对象 MyRunnable r = new MyRunnable(); //自己创建线程对象的方式 //Thread t = new Thread(r); //t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run() //从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run() service.submit(r); //再获取个线程对象,调用MyRunnable中的run() service.submit(r); service.submit(r); //注意:submit方法调用结束后,程序并不终止,是因为线程池控制了线程的关闭。将使用完的线程又归还到了线程池中 //关闭线程池 //service.shutdown(); } }
Runnable接口实现类
public class MyRunnable implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("我要一个教练"); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("教练来了: " +Thread.currentThread().getName()); System.out.println("教我游泳,交完后,教练回到了游泳池"); } }
2.3 线程池的使用方式二Callable接口
Callable接口:与Runnable接口功能相似,用来指定线程的任务。其中的call()方法,用来返回线程任务执行完毕后的结果,call方法可抛出异常。
ExecutorService:线程池类
<T> Future<T> submit(Callable<T> task):获取线程池中的某一个线程对象,并执行线程中的call()方法
Future接口:用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用
使用线程池中线程对象的步骤:
创建线程池对象
创建Callable接口子类对象
提交Callable接口子类对象
关闭线程池
示例:
public class ThreadPoolDemo { public static void main(String[] args) { //创建线程池对象 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象 //创建Callable对象 MyCallable c = new MyCallable(); //从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run() service.submit(c); //再获取个教练 service.submit(c); service.submit(c); //注意:submit方法调用结束后,程序并不终止,是因为线程池控制了线程的关闭。将使用完的线程又归还到了线程池中 //关闭线程池 //service.shutdown(); } }
Callable接口实现类,call方法可抛出异常、返回线程任务执行完毕后的结果
public class MyCallable implements Callable { @Override public Object call() throws Exception { System.out.println("我要一个教练:call"); Thread.sleep(2000); System.out.println("教练来了: " +Thread.currentThread().getName()); System.out.println("教我游泳,交完后,教练回到了游泳池"); return null; } }
三,总结
能使用线程池,尽量使用线程池。