Java 多线程

本小节我们将学习 Java 多线程，通过本小节的学习，你将了解到什么是线程，如何创建线程，创建线程有哪几种方式，线程的状态、生命周期等内容。掌握多线程的代码编写，并理解线程生命周期等内容是本小节学习的重点。

1. 什么是线程

要了解什么是线程，就要先了解进程的概念。

进程，是指计算机中已运行的程序，它是一个动态执行的过程。假设我们电脑上同时运行了浏览器、QQ 以及代码编辑器三个软件，这三个软件之所以同时运行，就是进程所起的作用。

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。大部分情况下，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。也就是说一个进程可以包含多个线程， 因此线程也被称为轻量级进程。

如果你还是对于进程和线程的概念有所困惑，推荐一篇比较优秀的文章，有助于帮助你理解进程和线程的概念。

2. 创建线程

在 Java 中，创建线程有以下 3 种方式：

继承 Thread 类，重写 run() 方法，该方法代表线程要执行的任务；
实现 Runnable 接口，实现 run() 方法，该方法代表线程要执行的任务；
实现 Callable 接口，实现 call() 方法，call() 方法作为线程的执行体，具有返回值，并且可以对异常进行声明和抛出。

下面我们分别来看下这 3 种方法的具体实现。

2.1 Thread 类

Thread 类是一个线程类，位于 java.lang 包下。

2.1.1 构造方法

Thread 类的常用构造方法如下：

Thread()：创建一个线程对象；
Thread(String name)：创建一个指定名称的线程对象；
Thread(Runnable target)：创建一个基于 Runnable 接口实现类的线程对象；
Thread(Runnable target, String name)：创建一个基于 Runnable 接口实现类，并具有指定名称的线程对象。

2.1.2 常用方法

void run()：线程相关的代码写在该方法中，一般需要重写；

void start()：启动当前线程；

static void sleep(long m)：使当前线程休眠 m 毫秒；

void join()：优先执行调用 join() 方法的线程。

Tips：run() 方法是一个非常重要的方法，它是用于编写线程执行体的方法，不同线程之间的一个最主要区别就是 run() 方法中的代码是不同的。

可翻阅官方文档以查看更多 API。

2.1.3 实例

通过继承 Thread 类创建线程可分为以下 3 步：

定义 Thread 类的子类，并重写该类的 run() 方法。run() 方法的方法体就代表了线程要完成的任务；
创建 Thread 子类的实例，即创建线程对象；
调用线程对象的 start 方法来启动该线程。

具体实例如下：

/**
 * @author colorful@TaleLin
 */
public class ThreadDemo1 extends Thread {

    /**
     * 重写 Thread() 的方法
     */
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("这里是线程体");
        // 当前打印线程的名称
        System.out.println(getName());
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 实例化 ThreadDemo1 对象
        ThreadDemo1 threadDemo1 = new ThreadDemo1();
        // 调用 start() 方法，以启动线程
        threadDemo1.start();
    }

}

运行结果：

这里是线程体
Thread-0

小伙伴们可能会有疑问，上面这样的代码，和普通的类实例化以及方法调用有什么区别的，下面我们来看一个稍微复杂些的实例：

/**
 * @author colorful@TaleLin
 */
public class ThreadDemo2 {

    /**
     * 静态内部类
     */
    static class MyThread extends Thread {

        private int i = 3;

        MyThread(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            while (i > 0) {
                System.out.println(getName() + " i = " + i);
                i--;
            }
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建两个线程对象
        MyThread thread1 = new MyThread("线程1");
        MyThread thread2 = new MyThread("线程2");
        // 启动线程
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

}

运行结果：

线程2 i = 3
线程1 i = 3
线程1 i = 2
线程2 i = 2
线程1 i = 1
线程2 i = 1

代码中我们是先启动了线程 1，再启动了线程 2 的，观察运行结果，线程并不是按照我们所预想的顺序执行的。这里就要划重点了，不同线程，执行顺序是随机的。如果你再执行几次代码，可以观察到每次的运行结果都可能不同：

2.2 Runnable 接口

2.2.1 为什么需要 `Runnable` 接口

通过实现 Runnable 接口的方案来创建线程，要优于继承 Thread 类的方案，主要有以下原因：

Java 不支持多继承，所有的类都只允许继承一个父类，但可以实现多个接口。如果继承了 Thread 类就无法继承其它类，这不利于扩展；
继承 Thread 类通常只重写 run() 方法，其他方法一般不会重写。继承整个 Thread 类成本过高，开销过大。

2.2.2 实例

通过实现 Runnable 接口创建线程的步骤如下：

定义 Runnable 接口的实现类，并实现该接口的 run() 方法。这个 run() 方法的方法体同样是该线程的线程执行体；
创建 Runnable 实现类的实例，并以此实例作为 Thread 的 target 来创建 Thread 对象，该 Thread 对象才是真正的线程对象；
调用线程对象的 start 方法来启动该线程。

具体实例如下：

/**
 * @author colorful@TaleLin
 */
public class RunnableDemo1 implements Runnable {

    private int i = 5;

    @Override
    public void run() {
        while (i > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " i = " + i);
            i--;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建两个实现 Runnable 实现类的实例
        RunnableDemo1 runnableDemo1 = new RunnableDemo1();
        RunnableDemo1 runnableDemo2 = new RunnableDemo1();
        // 创建两个线程对象
        Thread thread1 = new Thread(runnableDemo1, "线程1");
        Thread thread2 = new Thread(runnableDemo2, "线程2");
        // 启动线程
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

}

运行结果：

线程1 i = 5
线程1 i = 4
线程1 i = 3
线程1 i = 2
线程2 i = 5
线程1 i = 1
线程2 i = 4
线程2 i = 3
线程2 i = 2
线程2 i = 1

2.3 Callable 接口

2.3.1 为什么需要 `Callable` 接口

继承 Thread 类和实现 Runnable 接口这两种创建线程的方式都没有返回值。所以，线程执行完毕后，无法得到执行结果。为了解决这个问题，Java 5 后，提供了 Callable 接口和 Future 接口，通过它们，可以在线程执行结束后，返回执行结果。

2.3.2 实例

通过实现 Callable 接口创建线程步骤如下：

创建 Callable 接口的实现类，并实现 call() 方法。这个 call() 方法将作为线程执行体，并且有返回值；
创建 Callable 实现类的实例，使用 FutureTask 类来包装 Callable 对象，这个 FutureTask 对象封装了该 Callable 对象的 call() 方法的返回值；
使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程；
调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得线程执行结束后的返回值。

具体实例如下：

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

/**
 * @author colorful@TaleLin
 */
public class CallableDemo1 {

    static class MyThread implements Callable<String> {

        @Override
        public String call() { // 方法返回值类型是一个泛型，在上面 Callable<String> 处定义
            return "我是线程中返回的字符串";
        }

    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 常见实现类的实例
        Callable<String> callable = new MyThread();
        // 使用 FutureTask 类来包装 Callable 对象
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(callable);
        // 创建 Thread 对象
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        // 启动线程
        thread.start();
        // 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得线程执行结束后的返回值
        String s = futureTask.get();
        System.out.println(s);
    }

}

运行结果：

我是线程中返回的字符串

3. 线程休眠

在前面介绍 Thread 类的常用方法时，我们介绍了 sleep() 静态方法，该方法可以使当前执行的线程睡眠（暂时停止执行）指定的毫秒数。

线程休眠的实例如下：

/**
 * @author colorful@TaleLin
 */
public class SleepDemo implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 5; i ++) {
            // 打印语句
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":执行第" + i + "次");
            try {
                // 使当前线程休眠
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        // 实例化 Runnable 的实现类
        SleepDemo sleepDemo = new SleepDemo();
        // 实例化线程对象
        Thread thread = new Thread(sleepDemo);
        // 启动线程
        thread.start();
    }

}

运行结果：

Thread-0:执行第1次
Thread-0:执行第2次
Thread-0:执行第3次
Thread-0:执行第4次
Thread-0:执行第5次

4. 线程的状态和生命周期

java.lang.Thread.Starte 枚举类中定义了 6 种不同的线程状态：

NEW：新建状态，尚未启动的线程处于此状态；
RUNNABLE：可运行状态，Java 虚拟机中执行的线程处于此状态；
BLOCK：阻塞状态，等待监视器锁定而被阻塞的线程处于此状态；
WAITING：等待状态，无限期等待另一线程执行特定操作的线程处于此状态；
TIME_WAITING：定时等待状态，在指定等待时间内等待另一线程执行操作的线程处于此状态；
TERMINATED：结束状态，已退出的线程处于此状态。

值得注意的是，一个线程在给定的时间点只能处于一种状态。这些状态是不反映任何操作系统线程状态的虚拟机状态。

线程的生命周期，实际上就是上述 6 个线程状态的转换过程。下图展示了一个完整的生命周期：

5. 小结

通过本小节的学习，我们知道了线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。线程也被称为轻量级进程。在 Java 中，可以以 3 种方式创建线程，分别是继承 Thread 类、实现 Runnable 接口以及实现 Callable 接口。可以使用静态方法 sleep() 让线程休眠。线程状态有 6 种，也有资料上说线程有 5 种，这部分内容我们按照 Java 源码中的定义 6 种来记忆即可。