Java并发之多线程

什么是线程？

通常我们在使用桌面操作系统的时候，说的都是XXX进程。比如我们启动一个Java程序，那操作系统中就会新建一个Java进程。那线程是什么呢？线程是比进程更加轻量级的调度单位，在现代操作系统中，线程就是最小的调度单位，又被称为“轻量级进程”。

在一个进程中是可以创建多个线程的，这些线程拥有自己的虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器。如下图JVM的运行时内存划分中绿色的部分，就是线程私有的。CPU在多个线程中高速切换，让用户感觉像是在同时执行。总结来说，操作系统中可以同时执行多个任务，每个任务就是进程；进程可以同时执行多个任务，每个任务就是线程。

有些初次学习Java的同学可能会很疑惑，好像在日常的开发中，很少用到多线程啊？其实多线程就伴随着我们的日常开发，举个栗子，如果只用单线程，那么在SpringMVC中，前端每发起一个HTTP请求，那么后端接口就会进入阻塞，等待这个线程执行完成，后面的请求才能继续执行。这样的情况下效率将会非常低下。之所以SpringMVC能同时处理多个请求，当然是使用了多线程。

其实Java程序天生就是多线程程序，让我们来看一段简单的Java代码：

public static void main(String[] args) {
    //获取Java线程管理的MXBean
    ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
    //仅获取线程和堆栈信息
    ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false);
    //遍历线程信息，仅打印线程ID和线程名称信息
    for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
        System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "]" + threadInfo.getThreadName());
    }
    //打印当前线程名字
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}

结果如下（不同版本的JDK可能不同）：

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

可以看出，我们仅仅跑了一个main方法，但是却有多个其他线程在同时执行。

为什么使用多线程？

1. 发挥多处理器核心的优势
   现在的计算机核心数量已经越来越多，单核的计算机几乎已经不存在了。一个程序可以作为一个进程来运行，程序运行过程中可以创建多个线程，而一个线程在同一时刻只能运行在一个处理器核心上。如果是单线程程序，那么同一时间只能有一个进程的一个线程运行，即时有再多的核心，也无法发挥出多核处理器的优势。如果使用多线程，可以在不同的核心上运行不同的计算逻辑，将会显著的提升性能。
2. 提升响应时间
   在有一些业务逻辑中，会涉及到复杂的流程，比如创建一个用户，要初始化很多数据，用户信息，用户菜单等等。用户在使用这个功能的时候，如果要等到所有流程执行完才能看到返回成功，那么很多用户是不能忍受这么长时间等待的。这时候就可以利用多线程，异步地去执行某些用户不关心的操作，尽快返回结果，提升用户体验。
3. 合理利用系统资源
   进程在系统中是相互分隔的，而线程之间隔离程度比进程小，而且线程可以共享内存，进程公有数据，相互之间很容易就能实现通信。同时，创建线程的代价比进程要小很多，而且多线程执行效率也比多进程更高更节省系统资源。

多线程的好处不仅仅是这些，正是因为多线程带来的诸多好多，Java在语言内就内置了多线程支持，Java为多线程提供了良好的变成模型，让开发者能够专注对于问题的解决，为所遇到的问题建立合适的模型，而不是绞尽脑汁去思考如何将程序多线程化。

Java多线程的创建

在Java中有三种方式来实现多线程，但是都离不开Thread这个类，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。每个线程都是执行一段程序流，Java使用线程执行体来代表这段程序流。
* 继承Thread类创建线程
步骤如下：
1. 定义一个类继承Thread，并且重写其run()方法，run()方法就是我们所说的线程执行体。
2. 创建Thread子类的实例，就相当于创建了线程对象。
3. 调用实例的start()方法来启动线程。

具体代码如下：

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
      for (int i = 0; i < 5; i++) {
          MyThread thread = new MyThread("MyThread-" + i);
          thread.start();
      }
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        //这里可以直接使用getName()方法获取线程的名称，该方法是Thread类的实例方法
        System.out.println(this.getName() + ":created success");
    }
}

结果如下：

MyThread-0:created success
MyThread-1:created success
MyThread-2:created success
MyThread-3:created success
MyThread-4:created success

• 实现Runnable接口来创建线程
  
  1. 定义Runnable接口的实现类，并重写该类的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
  2. 创建Runnable实现类的实例，并且以此实例作为Thread类的target来创建Thread对象，这个Thread对象才是真正的线程对象。

我们可以查看Thread的构造函数

public Thread(Runnable target, String name) {
    init(null, target, name, 0);
}

具体代码如下：

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyThread myThread;
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            myThread = new MyThread();
            new Thread(myThread, "MyThread-").start();
        }
    }
}

class MyThread implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        //这里必须使用Thread.currentThread()方法来获取当前线程
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":created success");
    }
}

执行结果同上

• 实现Callable接口创建线程

在上面的两种实现方式，都是在日常开发中经常见到的方式，但是从Java5开始，提供了Callable接口，它提供了一个call()方法来作为线程执行体，但不同的是call()方法比run()方法更加强大。
call()方法可以有返回值，同时call()方法可以声明抛出异常。

Callable不能直接作为Thread的target，因为他不是Runnable的子接口，所以Java提供了一个FutureTask实现类，该实现类同时实现了Future接口和Runnable接口，Future接口代表了call()方法的返回值。使用Callable的步骤如下：
1. 创建Callable接口的实现类，实现call()方法，再创建该类的实例。
2. 使用FutureTask来包装Callable对象，FutureTask封装了Callable对象的call()方法的返回值。
3. 使用FutureTask的对象作为Thread对象的target来启动新线程。
4. 调用FutureTask对象的get()方法来实现线程类，并启动新线程。

具体代码如下：

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        FutureTask<Integer> task;
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            task = new FutureTask<>(new MyThread());
            String name = "MyThread-" + i;
            new Thread(task, name).start();
            System.out.println(name + " return:" + task.get());
        }
    }
}

class MyThread implements Callable<Integer> {

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        Integer i = new Random().nextInt(10);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":created success");
        return i;
    }
}

结果如下：

MyThread-0:created success
MyThread-0 return:8
MyThread-1:created success
MyThread-1 return:9
MyThread-2:created success
MyThread-2 return:1
MyThread-3:created success
MyThread-3 return:3
MyThread-4:created success
MyThread-4 return:7

Runnable和Callable在JDK1.8之后已经变成了函数式接口，可以使用lambda表达式来创建他们的对象，会使代码更加的简洁。通过上述三种方式都可以实现多线程，实现Runnable和Callable接口的方式基本上相似，只是Callable的功能更加强大一些。在实际开发中可以根据自己的需求进行选择。

线程的生命周期

在知道了怎么创建线程之后，我们还需要搞清楚线程的生命周期。线程需要经历新建（new），就绪（Runnable），运行（Running），阻塞（Blocked）和死亡（Dead）这5种状态。下面这张图描述了线程生命周期各个状态的转换：

- 在我们通过new创建了一个线程的实例过后，该线程就处于新建状态，此时这个线程对象就和其他Java对象一样，JVM为其分配内存，初始化成员变量的值。
- 调用线程对象的start()方法之后，线程进入就绪状态，Java虚拟机会为其创建栈帧和程序计数器，但是这个状态的线程也并没有开始运行，只是表明这个线程已经可以开始运行了，具体运行时间要看JVM的调度。这里千万要注意，启动线程要使用start()方法，而不是run()方法，使用start()方法启动系统会把run()方法当做线程执行体来执行，但是如果使用run()方法，相当于会立即执行run()方法，线程对象也只是一个普通对象，不会把run()方法包装成线程执行体来执行。
- 处于就绪状态的线程如果获取了CPU，那么就会进入运行状态，在这个状态的线程可能会调用sleep()方法进入阻塞，也可能调用yield()方法再次进入就绪状态，也可能完整地执行完成后进入死亡状态。如果线程进入死亡状态，就不能再次调用start()方法来启动它了，否则会抛出IllegalThreadStateExcetion异常。
- 处于阻塞状态的线程在sleep()时间结束、线程调用的阻塞式IO方法已经返回、线程成功获取锁、被notify()方法唤醒或者调用resume()方法之后会重新进入就绪状态。

结束前

以上内容都是个人学习的总结，后面可能会补充更多，如果有错误，请指出。

参考:

• 《Java并发编程的艺术》
• 《疯狂Java讲义》