第十一讲 多线程
多线程是提升程序性能非常重要的一种方式，也是Java编程中的一项重要技术。在程序设计中，多线程就是指一个应用程序中有多条并发执行的线索，每条线索都被称作一个线程，它们会交替执行，彼此间可以进行通信。
1. 进程与线程
进程是指正在运行的程序，是系统进行资源分配和调度的基本单位。为了有效利用系统资源和提高运行效率，在一个进程中还可以有若干同时并发运行的线程。每一个进程都至少存在一个线程。
当一个Java程序启动时，就会产生一个进程，该进程中会默认创建一个线程，在这个线程上运行main()方法中的代码，这样的程序称为单线程程序。单线程程序中只有一个线程在运行，效率相对较低。好比是售票大厅只开设一个售票窗口，所有人只能在一个窗口排除买票，整个售票过程效率较低；如果同时开设多个售票窗口售票，则可以提高售票效率。编写的程序也是同样，可以通过创建多线程程序来提高程序运行效率。
2. 线程的创建
Java中提供了三种方式来实现多线程。
（1）Thread类实现多线程
Thread类是java.lang包下的一个线程类，可通过继承Thread类的方式来实现多线程，其使用方法是先创建一个Thread线程类的子类（子线程），同时重写Thread类的run()方法；然后创建该子类的实例对象，并通过调用start()方法启动线程。
【例11-1】通过Thread类实现多线程
运行结果如下图所示。
通过运行结果可以看到，两个线程对象交互执行了各自重写的run()方法。并不是按顺序先执行完第一个线程再执行第二个线程。
（2）Runnable接口实现多线程
虽然可以通过继承Thread类实现多线程，但这种使用方式有一定的局限性。因Java只支持单继承，如果某个类已经继承了其他类，就无法再继承Thread类来实现多线程。这时可通过实现Runnable接口的方式来实现多线程。
①使用实现Runnable接口的方式来实现多线程的主要过程如下。
②创建一个Runnable接口的实现类，重写接口中的run()方法。
③创建Runnable接口的实现类对象。
④使用Thread有参构造方法创建线程实例，并将Runnable接口的实现类的对象作为参数传入。
⑤调用线程实例的start()方法启动线程。
【例11-2】通过实现Runnable接口的方式来实现多线程
运行结果如下图所示。
Callable接口实现多线程
通过Thread类和Runnable接口实现多线程时，需要重写run()方法，但是由于该方法没有返回值，因此无法从多个线程中获取返回结果。为了解决这个问题，从JDK 5开始，Java提供了一个新的Callable接口，来满足这种既能创建多线程又可以有返回值的需求。
Callable接口实现多线程是通过Thread类的有参构造方法传入Runnable接口类型的参数来实现多线程，不同的是，这里传入的是Runnable接口的子类FutureTask对象作为参数，而FutureTask对象中则封装带有返回值的Callable接口实现类。
通过Callable接口实现多线程的过程如下。
①创建一个Callable接口的实现类，同时重写Callable接口的call()方法；
②创建Callable接口的实现类对象；
③通过FutureTask线程结果处理类的有参构造方法来封装Callable接口实现类对象；
④使用参数为FutureTask类对象的Thread有参构造方法创建Thread线程实例；
⑤调用线程实例的start()方法启动线程。
【例11-3】通过Callable接口实现多线程
运行结果如下图所示。
Callable接口方式实现的多线程是通过FutureTask类来封装和管理返回结果的，该类的直接父接口是RunnableFuture。FutureTask类的继承关系如下图所示。
FutureTask本质是Runnable接口和Future接口的实现类，而Future则是用来管理线程执行返回结果的。其中Future接口中有5个方法来对线程结果进行管理，如表1所示。
表1 Future接口的方法
| 方法声明 | 功能描述 |
| boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) | 用于取消任务，参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置true，则表示可以取消正在执行的任务 |
| boolean isCancelled() | 判断任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回 true |
| boolean isDone() | 判断任务是否已经完成，若任务完成，则返回true |
| V get() | 用于获取执行结果，这个方法会发生阻塞，一直等到任务执行完毕才返回执行结果 |
| V get(long timeout, TimeUnit unit) | 用于在指定时间内获取执行结果，如果在指定时间内，还没获取到结果，就直接返回null |
3. 线程的生命周期
在Java中，任何对象都有生命周期，线程也不例外，它也有自己的生命周期。当Thread对象创建完成时，线程的生命周期便开始了。当线程任务中代码正常执行完毕或者线程抛出一个未捕获的异常（Exception）或者错误（Error）时，线程的生命周期便会结束。线程的整个生命周期分为6个状态，分别是NEW（新建状态）、RUNNABLE(可运行状态)、BLOCKED(阻塞状态)、WAITING(等待状态)、TIMED_WAITING（定时等待状态）和TERMINATED(终止状态)。线程的不同状态表明了线程当前正在进行的活动。程序中，通过一些操作，可以使线程在不同状态之间转换，如下图所示。
（1）NEW（新建状态）
创建一个线程对象后，该线程对象就处于新建状态，此时它不能运行，和其他Java对象一样，仅仅由JVM为其分配了内存，没有表现出任何线程的动态特征。
（2）RUNNABLE（可运行状态）
新建状态的线程调用start()方法，就会进入可运行状态。在RUNNABLE状态内部又可细分成两种状态：READY（就绪状态）和RUNNING（运行状态），并且线程可以在这两个状态之间相互转换。
RUNNABLE内部状态转换：
①就绪状态：线程对象调用start()方法之后，等待JVM的调度，此时线程并没有运行；
②运行状态：线程对象获得JVM调度，如果存在多个CPU，那么允许多个线程并行运行。
（3）BLOCKED（阻塞状态）
运行状态的线程因为某些原因失去CPU的执行权，会进入阻塞状态。阻塞状态的线程只能先进入就绪状态，不能直接进入运行状态。
线程一般会在以下两种情况时进入阻塞状态：
①当线程A运行过程中，试图获取同步锁时，却被线程B获取；
②当线程运行过程中，发出IO请求时。
（4）WAITING（等待状态）
当运行状态的线程调用了无时间参数限制的方法后，如wait()、join()等方法，就会转换为等待状态。
处于等待状态中的线程不能立即争夺CPU使用权，必须等待其他线程执行特定的操作后，才有机会争夺CPU使用权。例如调用wait()方法而处于等待状态中的线程，必须等待其他线程调用notify()或者notifyAll()方法唤醒当前等待中的线程；调用join()方法而处于等待状态中的线程，必须等待其他加入的线程终止。
（5）TIMED_WAITING（定时等待状态）
当运行状态中的线程调用了有时间参数限制的方法，如sleep(long millis)、wait(long timeout)、join(long millis)等方法，就会转换为定时等待状态。
处于定时等待状态中的线程不能立即争夺CPU使用权，必须等待其他相关线程执行完特定的操作或者限时时间结束后，才有机会再次争夺CPU使用权。例如，调用了wait(long timeout) 方法而处于等待状态中的线程，需要通过其他线程调用notify()或者notifyAll()方法唤醒当前等待中的线程，或者等待限时时间结束后也可以进行状态转换。
（6）TERMINATED（终止状态）
当线程的run()方法、call()方法正常执行完毕或者线程抛出一个未捕获的异常（Exception）、错误（Error），线程就进入终止状态。一旦进入终止状态，线程将不再拥有运行的资格，也不能再转换到其他状态，生命周期结束。
4. 线程的调度
程序中的多个线程是并发执行的，但并不是同一时刻执行，某个线程若想被执行必须要得到CPU的使用权。Java虚拟机会按照特定的机制为程序中的每个线程分配CPU的使用权，这种机制被称作线程的调度。
线程调度有两种模型，分别是分时调度模型和抢占式调度模型。分时调度是指让所有的线程轮流获得CPU的使用权，并且平均分配每个线程占用的CPU时间片。抢占式调度是指让可运行池中所有就绪状态的线程争抢CPU的使用权，而优先级高的线程获取CPU执行权的概率大于优先级低的线程。
Java虚拟机默认采用抢占式调度模型，多数情况下不需要去关心它，在某些特定的需求下需要改变这种模式时可由程序来控制 CPU的调度。
（1）设置线程的优先级
在程序中如果要对线程进行调度，最直接的方式就是设置线程的优先级。优先级越高的线程获得CPU执行的机会越大，而优先级越低的线程获得CPU执行的机会越小。
线程的优先级用1~10之间的整数来表示，数字越大优先级越高。除了可以直接使用数字表示线程的优先级，还可以使用Thread类中提供的三个静态常量（如表2所示）表示线程的优先级。
表2 Thread类的优先级常量
| Thread类的静态常量 | 功能描述 |
| static int MAX_PRIORITY | 表示线程的最高优先级，相当于值10 |
| static int MIN_PRIORITY | 表示线程的最低优先级，相当于值1 |
| static int NORM_PRIORIY | 表示线程的普通优先级，相当于值5 |
程序在运行期间，处于就绪状态的每个线程都有自己的优先级，例如main线程具有普通优先级。可以通过Thread类的setPriority(int newPriority)方法对其进行设置，该方法中的参数newPriority接收的是1~10之间的整数或者Thread类的三个静态常量。
【例11-4】线程优先级的设置
运行结果如下图所示。
说明：
虽然Java提供了10个线程优先级，但是这些优先级需要操作系统的支持，不同的操作系统对优先级的支持是不一样的，不能很好地和Java中线程优先级一一对应。
（2） 线程休眠
如果想要人为地控制线程执行顺序，使正在执行的线程暂停，将CPU使用权让给其他线程，这时可以使用静态方法sleep(long millis)。该方法可以让当前正在执行的线程暂停一段时间，进入休眠等待状态，这样其他的线程就可以得到执行的机会。sleep(long millis)方法会声明抛出InterruptedException异常，因此在调用该方法时应该捕获异常，或者声明抛出该异常。
【例11-5】线程休眠
运行结果如下图所示。
5. 多线程同步
多线程的并发执行可以提高程序的效率，但是，当多个线程去访问同一个资源时，也会引发一些安全问题。如下例中的多线程售票程序。
【例11-6】多线程售票
运行结果如下图所示。
由运行结果可以看到，同一张票被出售了多次，这种现象是不应该出现的。出现这种问题的原因在于多个线程同时处理共享资源所导致的。为了解决这样的问题，只需要保证某个资源在同一时刻只能被一个线程访问即可，也即线程的同步，Java中提供了几种不同的线程同步机制。
（1）同步代码块
当多个线程使用同一个共享资源时，可以将处理共享资源的代码放置在一个使用synchronized关键字修饰的代码块中，这段代码块就被称为同步代码块。使用格式如下。
synchronized(lock){
// 操作共享资源代码块 ...
}
述代码中，lock是一个锁对象，可以是任意类型的对象，但多个线程共享的锁对象必须是相同的。锁对象的创建代码不能放到run()方法中，否则每个线程运行到run()方法都会创建一个新对象，这样每个线程都会有一个不同的锁。
【例11-7】利用同步代码块实现线程同步
运行结果如下图所示。
同步代码块的原理：
①当线程执行同步代码块时，首先会检查lock锁对象的标志位；
②默认情况下标志位为1，此时线程会执行Synchronized同步代码块，同时将锁对象的标志位置为0；
③当一个新的线程执行到这段同步代码块时，由于锁对象的标志位为0，新线程会发生阻塞，等待当前线程执行完同步代码块后；
④锁对象的标志位被置为1，新线程才能进入同步代码块执行其中的代码，这样循环往复，直到共享资源被处理完为止。
（2）同步方法
当把共享资源的操作放在同步代码块中时，便为这些操作加了同步锁。同样，也可以在方法前面使用synchronized关键字来修饰，被修饰的方法称为同步方法，可实现和同步代码块同样的功能，同步方法使用格式如下所示。
[修饰符] synchronized 返回值类型方法名([参数1,……]){
//方法体
}
被synchronized修饰的方法在某一时刻只允许一个线程访问，访问该方法的其他线程都会发生阻塞，直到当前线程访问完毕后，其他线程才有机会执行。
【例11-8】使用同步方法实现线程同步
运行结果如下图所示。
