【多线程】初步认识Thread类及其应用

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上篇文章我们简单介绍了什么是进程与线程，以及他们之间的区别与联系，实际应用中还是以多线程编程为主的，所以这篇文章就让我们更加深入地去剖析多线程编程的具体应用吧

一、初识Thread类

1、创建线程

（1）继承Thread类

（2）实现Runnable接口

（3）匿名内部类

2、多线程的优势-增加运⾏速度

二、 Thread 类及常⻅⽅法

1、 Thread 的常⻅构造⽅法

2、 Thread 的⼏个常⻅属性

三、线程的状态

四、线程的核心操作

1、启动一个线程-start（）

2、获取当前线程引用

3、休眠当前线程

4、线程的中断（终止）

5、线程等待-join（）

总结

一、初识Thread类

⼀个线程就是⼀个 "执⾏流". 每个线程之间都可以按照顺序执⾏⾃⼰的代码. 多个线程之间 "同时" 执⾏着多份代码.

Java 的线程和操作系统线程的关系

线程是操作系统中的概念. 操作系统内核实现了线程这样的机制, 并且对⽤⼾层提供了⼀些 API 供⽤⼾使⽤(例如 Linux 的 pthread 库).

1、创建线程

Java 标准库中 Thread 类可以视为是对操作系统提供的 API 进⾏了进⼀步的抽象和封装

接下来我们就来看一下创建线程的几种写法吧：

（1）继承Thread类

编写的MyThread需要继承Thread类，不需要导包，因为Thread类是java.lang中内置的类。

继承不是主要目的，主要是为了重写Thread类中的run方法，在其中写入所创建线程需要执行的逻辑语句。

若要让线程运行，需先实例化编写的MyThread类，接着调用start方法就会在进程内部创建一个新的线程，新的线程就会执行刚才run里的代码。

具体代码如下：

class MyThread extends Thread{
    //重写run方法
    @Override
    public void run(){
        //线程执行的逻辑
        System.out.println("Hello World!");
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread=new MyThread();
        //创建线程
        myThread.start();
    }
}

这个代码，运行起来是一个进程，但这个进程包含了两个线程。

1、调用main方法的线程被称为“主线程”，之前提过一个进程中至少有一个线程，这个线程就是主线程

2、调用myThread.start()方法时会手动创建一个新的线程

主线程和新线程会并发/并行地在CPU上运行

不过，上述代码还不能很好地体现多线程编程的并发性与随机性，接下来用一个更加形象的代码表示一下：

class MyThread extends Thread{
    //重写run方法
    @Override
    public void run(){
        while (true){
            System.out.println("Hello thread");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t=new MyThread();
        //创建线程
        t.start();
        while (true){
            System.out.println("Hello main");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

可以发现，多个线程之间，谁先去CPU上调度执行，这个过程是 “不确定的”，这个调度顺序取决于操作系统内核里的 “调度器”，调度器里有一套规则，但是对于应用程序开发，无法进行干预，也无法察觉，因此把这个过程近似于 “随机”，多线程的运行调度也被称之为 “抢占式执行”

注意：

上述代码中，并没有直接手动调用run方法，但是也被执行了。像run这种，用户手动定义了，但是没有手动调用，最终被系统/库/框架调用执行了的方法，被称为“回调函数（call back）”。

（2）实现Runnable接口

Runnable就是用来描述“要执行的任务”是什么

class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Hello Runnable!");
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable runnable=new MyRunnable();
        Thread myThread=new Thread(runnable);
        //创建线程
        myThread.start();
    }
}

通过Thread创建线程，而线程要执行的任务是通过Runnable来描述的，而不是通过Tread自己来描述，这样能起到一定的“解耦合”的作用，便于代码后期维护。

Runnable只是描述了一个任务，并不与“线程”强相关，后续执行这个任务的载体可以是线程，也可以是其他东西，比如线程池、虚拟线程（协程）等，一定程度上提高了代码的复用率。

对⽐上⾯两种⽅法:

• 继承 Thread 类, 直接使⽤ this 就表⽰当前线程对象的引⽤.

• 实现 Runnable 接⼝, this 表⽰的是 MyRunnable 的引⽤. 需要使⽤Thread.currentThread()

（3）匿名内部类

匿名指没有类名，内部类指定义在其它类内部的类，匿名内部类一般就是“一次性”使用的类，用完就丢掉，相对来说内聚性会更好一些

匿名内部类创建 Thread ⼦类对象：

// 使⽤匿名类创建 Thread ⼦类对象
Thread t=new Thread(){
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("使⽤匿名类创建 Thread ⼦类对象");
    }
};

这个方法本质上和（1）是一致的，具体原理如下：

1、定义匿名内部类，这个类是Thread的子类

2、类的内部，重写了父类的run方法

3、创建了一个子类的实例，并把实例的引用赋值给了t

匿名内部类创建 Runnable ⼦类对象：

//使⽤匿名类创建 Runnable ⼦类对象
Thread t2=new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("使⽤匿名类创建 Runnable ⼦类对象");
    }
});

lambda表达式创建 Runnable 子类对象：

Thread t3=new Thread(()-> System.out.println("使⽤lambda表达式创建 Runnable ⼦类对象"));
Thread t4=new Thread(()->{
      System.out.println("使用lambda表达式创建 Runnable 子类对象");
});

lambda表达式本质上就是匿名内部类的更简化的写法，很多时候，写匿名内部类都不是为了写“类”，而是写类中的“方法”，而lambda就可以避开类而直接描述其中的run方法

2、多线程的优势

可以观察多线程在⼀些场合下是可以提⾼程序的整体运⾏效率的。

• 使⽤ System.nanoTime() 可以记录当前系统的纳秒级时间戳.

• serial 串⾏的完成⼀系列运算. concurrency 使⽤两个线程并⾏的完成同样的运算

public class ThreadAdvantage {
    // 多线程并不⼀定就能提⾼速度，可以观察，count 不同，实际的运⾏效果也是不同的
    private static final long count = 10_0000_0000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 使⽤并发⽅式
        concurrency();
        // 使⽤串⾏⽅式
        serial();
    }

    private static void concurrency() throws InterruptedException {
        long begin = System.nanoTime();

        // 利⽤⼀个线程计算 a 的值
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int a = 0;
                for (long i = 0; i < count; i++) {
                    a--;
                }
            }
        });
        thread.start();
        // 主线程内计算 b 的值
        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
            b--;
        }
        // 等待 thread 线程运⾏结束
        thread.join();

        // 统计耗时
        long end = System.nanoTime();
        double ms = (end - begin) * 1.0 / 1000 / 1000;
        System.out.printf("并发: %f 毫秒%n", ms);
    }

    private static void serial() {
        // 全部在主线程内计算 a、b 的值
        long begin = System.nanoTime();
        int a = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
            a--;
        }
        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
            b--;
        }
        long end = System.nanoTime();
        double ms = (end - begin) * 1.0 / 1000 / 1000;
        System.out.printf("串⾏: %f 毫秒%n", ms);
    }
}

二、 Thread 类及常⻅⽅法

Thread 类是 JVM ⽤来管理线程的⼀个类，换句话说，每个线程都有⼀个唯⼀的 Thread 对象与之关联。

⽤我们上⾯的例⼦来看，每个执⾏流，也需要有⼀个对象来描述，类似下图所⽰，⽽ Thread 类的对象就是⽤来描述⼀个线程执⾏流的，JVM 会将这些 Thread 对象组织起来，⽤于线程调度，线程管理。

1、 Thread 的常⻅构造⽅法

代码事例：

Thread t1 = new Thread();
Thread t2 = new Thread(new MyRunnable());
Thread t3 = new Thread("这是我的名字");
Thread t4 = new Thread(new MyRunnable(), "这是我的名字");

如果不给线程起名字，那么默认就会是叫做Thread-0，Thread-1……

给线程起名字，并不会影响线程的执行效果，不过起一个合适的名字，更有利于调试程序

ThreadGroup线程组是把多个线程放在一组里，方便统一地设置线程的一些属性。不过现在很少会使用线程组了，线程相关属性用到也不多，更多的是会使用“线程池”

2、 Thread 的⼏个常⻅属性

• ID 是JVM自动分配的，是线程的唯⼀标识，不同线程不会重复

• 名称是各种调试⼯具⽤的，Thread对象的身份标识

• 状态表⽰线程当前所处的⼀个情况，下⾯我们会进⼀步说明

• 优先级⾼的线程理论上来说更容易被调度到

• 关于后台线程，需要记住⼀点：JVM会在⼀个进程的所有⾮后台线程结束后，才会结束运⾏。

• 是否存活，即简单的理解，为 run ⽅法是否运⾏结束了

• 线程的中断问题，下⾯我们进⼀步说明

关于前台线程与后台线程：

后台线程：如果这个线程执行过程中，不能阻止进程的结束，（虽然线程在执行着，但是进程要结束了，此时这个线程也会随之被带走），这样的线程就被称为“后台线程”，也被称为“守护线程”。

前台线程：如果某个线程在执行过程中，能够阻止进程结束，就被称为“前台线程”

一个线程中可以有多个前台线程（创建的线程默认是前台线程），必须所有的前台线程都结束，进程才能结束

关于线程是否存活：

isAlive（）返回值为true表示还存活，false表示线程没了

代码中，new Thread对象的生命周期与内核中实际线程的生命周期不一定是一致的，可能会出现Thread对象存在但是内核中线程不存在的情况，如：

（1）调用start前，此时内核中还未创建线程

（2）线程中的run执行完毕，内核的线程销毁，但此时Thread对象任然存在

注意：不存在Thread对象不存在，而线程还存在的情况

三、线程的状态

线程的状态是⼀个枚举类型 Thread.State，反映了线程生命周期的不同阶段，了解这些更有利于对线程的调试与优化，以下是线程的六种主要状态：

• NEW（初始）:

Thread对象已创建，但是内核的线程还没有（还未调用start方法）
安排了⼯作, 还未开始⾏动

• RUNNABLE（可运行）:

线程的start方法一旦被调用就会进入RUNNABLE状态
就绪状态，可能正在CPU上运行，也可能在等待CPU分配资源以便运行

• BLOCKED（阻塞）:

因为锁竞争而引起的阻塞等待的状态
当线程试图获取某一对象的锁，而该对象的锁正被其它线程占有时，就会进入BLOCKED状态
一般指线程因同步操作（synchronized）而被阻塞的状态

• WAITING（等待）:

当线程调用了Object.wait(),Thread.join(),LockSupport.park()等方法时，就会进入WAITING状态
此时线程不会争夺CPU资源，一直等待直到其它线程发出对应的通知信息（如notify（）或notifyAll（））时重新恢复RUNNABLE状态
没有超时时间的阻塞等待，如果没有收到通知将会一直等待下去

• TIMED_WAITING（超时等待）:

与WAITING状态类似，但是是有超时时间的等待
当调用Object.wait(long timeout),Thread.join(long),Thread.sleep(long millis),LockSupport.parkNanos(),LockSupport.parkUntil()等方法时，线程会进入TIMED_WAITING状态
线程将会等待直到被唤醒或超时

• TERMINATED（终止）:

当线程的run方法执行完毕或者由于某些原因（如抛出为捕获的异常）而提前结束时，线程进入TERMINATED状态
当前Thread对象虽然还在，但是内核的线程已经被销毁了（线程已经结束了）
终止的线程无法被重启

可以形象的类比于以下状态：

上述线程状态可以通过jdk自带的jconsole来观察：

学习线程的状态，主要就是为了调试与优化，比如遇到某个线程没有正常运行时，就可以观察对应线程的状态，来确定是否是由于一些原因导致线程进入了阻塞状态

四、线程的核心操作

1、启动一个线程-start（）

之前我们已经看到了如何通过覆写 run ⽅法创建⼀个线程对象，但线程对象被创建出来并不意味着线程就开始运⾏了。

• 覆写 run ⽅法是提供给线程要做的事情的指令清单

• 线程对象可以认为是把李四、王五叫过来了

• ⽽调⽤ start() ⽅法，就是喊⼀声：”⾏动起来！“，线程才真正独⽴去执⾏了。

调⽤ start ⽅法, 才真的在操作系统的底层创建出⼀个线程

注意要区分好 run与 start的关系：

run：线程的入口，描述了线程 要执行的任务

start：调用了 系统api，在系统内核中 真正创建了线程（创建PCB加入到链表中）

也就是说，如果直接调用run方法，虽然也能执行run方法内的程序，但也只会在调用它的线程中执行，是不会创建新的线程的，这样就背离多线程编程的初心了

注意

start对于一个Thread对象只能调用一次，java中的Thread对象与内核中的线程是“一对一”的关系，因此，不存在一个线程终止后，再通过调用start重新执行的情况

这是由于一个Thread对象能够对应到多个线程的话，管理起来就会非常麻烦，JVM的设计实现就会非常复杂了。因此java中希望一个Thread对象只能对应到系统中的一个线程，这样在调用start后就可以通过线程的状态来判断是否能成功创建。

如果一个Thread对象是没有调用过start的，此时就会处于NEW状态，此时调用start就可以顺利地执行创建出线程了。而如果已经调用过start，线程就会进入其它状态，只要不是处于NEW状态，接下来执行start都会抛出异常了

2、获取当前线程引用

想在某个线程中，获取到自身的Thread对象的引用，就可以通过currentThread()来获取

任何线程都可以通过这样的操作获取线程的引用

3、休眠当前线程

也是我们⽐较熟悉⼀组⽅法，有⼀点要记得，因为线程的调度是不可控的，所以，这个⽅法只能保证实际休眠时间是⼤于等于参数设置的休眠时间的

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println(System.currentTimeMillis());
        Thread.sleep(3 * 1000);
        System.out.println(System.currentTimeMillis());
    }
}

线程执行sleep，就会使这个线程不参与CPU调度，从而把CPU资源让出来，给别人使用。像sleep这样的操作也被称之为“放权”，放弃使用CPU的权利

在有些开发场景中，如果某个线程CPU占用率过高，就可以通过sleep来改善。虽然线程的优先级就可以对其产生影响，但影响是比较有限的，通过sleep可以更加明显地影响到CPU占用

4、线程的中断（终止）

在工作中，我们可能会因为领导的一通电话，而不得不停下手头的工作，去做别的事。线程运行时可能也会遇到类似问题，有时我们可能会因为某些原因而需要提前结束线程的运行，该如何停止呢，这就涉及到停止线程的方式了。

如果有两个线程a和b，b正在运行，a想要b结束运行，其实核心就是a要想办法让b的run方法更快地执行完毕，此时b自然就结束了。而不是说b的run执行一半，a直接强行把b结束了。java中结束线程的方法是比较“温柔”的，并不是直接粗暴的。因为如果强制结束某个线程的话，可能导致其逻辑未完全执行，对应的结果数据是个“半成品”，从而影响程序最终的结果，这样肯定是不合理的。

1、一个简单的做法是使用自定义的标志位：

public class Demo {
    //设置全局变量isQuit作为标志位
    public static boolean isQuit=false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t=new Thread(()->{
            while (!isQuit){
                System.out.println("hello thread");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(4000);
        System.out.println("main线程尝试终止 t 线程");
        //通过修改isQuit变量的值，就能终止 t 线程的执行了
        isQuit=true;
    }

}

注意，如果把isQuit变成main方法的局部变量，就会出现以下情况：

我们可以看到lambda语句中的isQuit标红报错了。这与lambda表达式/匿名内部类的变量捕获操作有关。

isQuit与lambda表达式定义在一个作用域内，lambda的内部是可以访问到lambda外部（与lambda同一作用域）的变量的。但是lambda的变量是有要求的，能够捕获的变量得是final或者事实final（即虽没有final修饰，但并没有人修改），而上述代码中的isQuit变量被修改过，不是final/事实final，导致lambda表达式无法通过变量捕获操作获取到它，从而导致程序出现了错误

而当把isQuit写成成员变量后，就成了内部类访问外部类的成员变量，这本就是合法的，因此就不会出现问题了

2、使用Thread自带的interrupted作为标志位

Thread中有一个boolean类型的成员变量interrupted，它的初始值为false，表示未被终止，一旦其它线程调用了interrupt方法，就会设置上述标志位值为true，表示已被终止。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //下列的 lambda 的代码在编译器眼里，出现在 Thread t 的上方
        //此时 t 还没有被定义
        Thread t=new Thread(()->{
            //先获取到线程的引用
            Thread currentThread = Thread.currentThread();
            //两种判断方式都行
            while (!currentThread.isInterrupted()){
            //while(!Thread.interrupted())
                System.out.println("hello thread");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });

        t.start();
        Thread.sleep(3000);
        //在主线程中，控制 t 线程被终止，设置上述标志位
        t.interrupt();
    }
}

但是执行上述代码我们会发现程序运行是有问题的：

可以看出程序运行抛出了一个RuntimeException异常。主要是由于判断isInterrupted()和执行打印操作的速度过快，因此在整个循环中，主要时间都是处于sleep状态中，main调用interrupt()时，不仅仅会设置标志位，还会把sleep给唤醒，假如sleep刚执行了100ms，还剩900ms，此时interrupt被调用，sleep就会被强制唤醒，并且抛出interruptedException异常。

又由于catch中的代码默认再次抛出了一个RuntimeException异常，而这个异常没有被处理，就会导致直接抛到JVM层面，使得进程直接异常终止了

这时我们尝试将代码改为：

这样不抛出新的异常而是输出一段语句是否就能让程序正常运行呢？

显然是不能的，我们可以看到在执行catch操作后，线程并没有被终止，仍然在不断地运行输出。

这是由于当sleep等阻塞函数被唤醒后，会清空刚刚设置的interruptded标志位，这样在线程的下次循环判断时，程序就会认为标志位任未被设置，从而继续执行下去了。

此时，如果想要结束循环，结束线程，就需要在catch中加上return/break语句：

这样，线程就能正常被终止了：

出现这样的现象主要是由于java中，线程终止是一个相对“温柔”的过程，并不是强行就终止。当a线程想让b线程终止时，b可以自行决定，是否要终止/是立即还是稍后，这些都由b线程内部的代码来决定，其他线程无权干涉。

比如：

（1）如果b线程想无视a线程的终止请求，就直接在catch中啥也不做，b仍然会继续执行

（2）如果b线程相要立即结束，就在catch中写入return或break，此时b线程就会立刻结束

（3）如果b线程想要稍后结束，就可以在catch上写入一些其他逻辑（如释放资源，清理一些数据，提交一些结果……等收尾工作），这些逻辑完成后，再进行return/break操作

这些全都得益于sleep这类阻塞方法被强制唤醒时会清除标志位，才能让b做出各种选择，否则b将被强制结束，无法写出让程序继续执行的代码了。这样可以给程序员更多的操作空间

5、线程等待-join（）

操作系统针对多个线程的执行，是一个“随机调度”，抢占式执行的过程。线程的调度执行是随机的，我们无法确定两个线程的调度顺序，但是可以控制谁先结束谁后结束。

线程等待就是确定两个线程的结束顺序，通过让后结束的线程等待先结束的线程执行，进入阻塞状态，直到先结束的线程执行完毕，此时阻塞解除，后结束的线程开始执行。这样就能使两个线程的结束顺序得以确定

这时就可以使用join关键字实现线程等待

比如有两个线程a，b，此时在a线程中调用b.join，意思就是让a线程等待b线程先结束，a再继续执行。通俗的来讲，就相当于是让b插入到a线程的执行过程中

不过也要注意a和b本质上还是两个线程，依旧是并发执行，只是确定了结束顺序

代码示例：

public class Demo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t=new Thread(()->{
            System.out.println("t 线程开始执行");
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.println("这是线程 t");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            System.out.println("t 线程执行结束");
        });
        t.start();
        //让主线程等待 t 线程
        System.out.println("main 线程开始等待");
        t.join();
        System.out.println("main 线程等待结束");
    }
}