# 线程入门

# 定义

进程(process)和进程(thread)是操作系统的基本概念,但是它们比较抽象,不容易理解。

线程(Thread) 是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中,是进程中的实际运作单位。

进程(Process) 是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础。

纤程 (Fiber) 线程的线程.

# 怎么理解线程

计算机的核心是CPU,它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂,时刻在运行。

假定工厂的电力有限,一次只能供给一个车间使用。也就是说,一个车间开工的时候,其他车间都必须停工。背后的含义就是,单个CPU一次只能运行一个任务。

进程就好比工厂的车间,它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻,CPU总是运行一个进程,其他进程处于非运行状态。

一个车间里,可以有很多工人。他们协同完成一个任务。

线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。

车间的空间是工人们共享的,比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的,每个线程都可以使用这些共享内存。

可是,每间房间的大小不同,有些房间最多只能容纳一个人,比如厕所。里面有人的时候,其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时,其他线程必须等它结束,才能使用这一块内存。

一个防止他人进入的简单方法,就是门口加一把锁。先到的人锁上门,后到的人看到上锁,就在门口排队,等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"(Mutual exclusion,缩写 Mutex),防止多个线程同时读写某一块内存区域。

还有些房间,可以同时容纳n个人,比如厨房。也就是说,如果人数大于n,多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域,只能供给固定数目的线程使用。

这时的解决方法,就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙,出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了,就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做"信号量"(Semaphore),用来保证多个线程不会互相冲突。

不难看出,mutex是semaphore的一种特殊情况(n=1时)。也就是说,完全可以用后者替代前者。但是,因为mutex较为简单,且效率高,所以在必须保证资源独占的情况下,还是采用这种设计。

操作系统的设计,因此可以归结为三点:

(1)以多进程形式,允许多个任务同时运行;

(2)以多线程形式,允许单个任务分成不同的部分运行;

(3)提供协调机制,一方面防止进程之间和线程之间产生冲突,另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

# 如何创建线程

创建线程有如下几种:

  1. 继承 Thread 类并重写 run() 方法。
  2. 实现 Runnable 接口并重写 run() 方法。
  3. 实现 Runnable 接口的变种,使用 Lambda 表达式。
  4. 通过线程池创建。

注意:通过线程池创建的时候,其底层也是通过 Thread 或 Runnable 实现的

# 继承 Thread 类

  1. 创建一个类继承 Thread 类。
  2. 重写其 run() 方法,将所有要完成的任务代码写进 run() 方法中。
  3. 使用时创建 Thread 类的子类。
  4. 调用该对象的 start() 方法开始运行。

代码示例:

public class ExtendsThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("主线程的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());

        ThreadDemo1 threadDemo1 = new ThreadDemo1();
        // 线程执行
        threadDemo1.start();
    }
}
class ThreadDemo1 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("ThreadDemo1 的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());
    }
}

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# 实现 Runnable 接口

  1. 创建一个类并实现 Runnable 接口。
  2. 重写 run() 方法,将所有要完成的任务代码写进 run() 方法中。
  3. 创建实现 Runnable 接口的类的对象,将该对象作为参数传入到 Thread 类的构造方法中。
  4. 使用 Thread 类的构造方法创建一个对象,并调用 start() 方法即可运行该线程。

代码示例:

public class ImplementsRunnableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("主线程的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());

        Thread threadDemo2 = new Thread(new ThreadDemo2());
        // 线程执行
        threadDemo2.start();
    }
}
class ThreadDemo2 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 输出线程名称
        System.out.println("ThreadDemo2 的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());
    }
}
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# 变种 - Lambda

Thread 实例化时,传入一个实现了 Runnable 接口的匿名内部类。

// 创建一个新的线程
Thread threadDemo2 = new Thread(() -> {
  // 输出线程名称
  System.out.println("ThreadDemo3 的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());
});
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# 实现 Callable 接口创建

  1. 创建一个类并实现 Callable 接口。

  2. 重写 call() 方法,将所要完成的任务的代码写进 call() 方法中

    需要注意的是 call() 方法有返回值,并且可以抛出异常。

  3. 如果想要获取运行该线程后的返回值,需要创建 Future 接口的实现类的对象,即 FutureTask 类的对象,调用该对象的 get() 方法可获取 call() 方法的返回值

  4. 使用 Thread 类的有参构造器创建对象,将 FutureTask 类的对象当做参数传进去,然后调用 start() 方法开启并运行该线程。

public class ImplementsCallableDemo {
  public static void main(String[] args) 
    throws ExecutionException, InterruptedException {
    // 输出主线程的名称
    System.out.println("主线程的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());

    // 创建 FutureTask 对象
    FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new ThreadDemo4());
    // 创建一个新的线程
    Thread threadDemo4 = new Thread(futureTask);
    // 线程执行
    threadDemo4.start();

    // 获取任务的返回结果
    String result = futureTask.get();
    // 输出任务返回的结果
    System.out.println("线程返回结果:" + result);
  }
}
class ThreadDemo4 implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {

        // 输出线程名称
        System.out.println("ThreadDemo4 的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());

        return "Method call result value";
    }
}
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# 通过线程池创建

  1. 使用 Executors 类中的 newFixedThreadPool(int num) 方法创建一个线程数量为 num 的线程池
  2. 调用线程池中的 execute() 方法执行由实现 Runnable 接口创建的线程;
  3. 调用 submit() 方法执行由实现 Callable 接口创建的线程
  4. 调用线程池中的 shutdown() 方法关闭线程池

代码说明

  1. execute() 方法中传入的是实现 Runnable 接口的类。
  2. submit() 方法中传入的是实现 Callable 接口的类。
  3. ThreadDemo4 就是上一步“实现 Callable 接口”示例中创建的。

Executors 类中还有其他创建线程池的方法,如 newSingleThreadExecutor()、newCachedThreadPool() 等等。

注意:在实际使用中不推荐使用 Executors.newFixedThreadPool(num) 这种方式创建线程,而是使用下方注释中的 ThreadPoolExecutor 来创建。

public class ExecutorsDemo {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 输出主线程的名称
        System.out.println("主线程的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());

        /*
         * 创建线程池
         */
        //通过线程池工厂创建线程数量为 2 的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);
//        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
//                corePoolSize, maximumPoolSize, 
//                keepAliveTime, unit, 
//                workQueue, threadFactory, handler);

        // 执行线程,execute() 适用于实现Runnable接口创建的线程
        service.execute(() -> {
            // 输出线程名称
            System.out.println("ExecutorsDemo1 的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());
        });
        service.execute(() -> {
            // 输出线程名称
            System.out.println("ExecutorsDemo2 的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());
        });
        service.execute(() -> {
            // 输出线程名称
            System.out.println("ExecutorsDemo3 的线程名称:" + Thread.currentThread().getName());
        });
        //submit()适用于实现Callable接口创建的线程
        Future<String> task = service.submit(new ThreadDemo4());

        //关闭线程池
        service.shutdown();
    }
}

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上次更新时间: 2020/11/17 上午12:35:40