深入淺出、玩轉(zhuǎn)Java多線程
哈嘍，大家好，我是了不起。
Java多線程是Java編程語(yǔ)言的一個(gè)特性，它允許程序在同一時(shí)間執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。使用多線程可以充分利用計(jì)算機(jī)的多核處理器，提高程序的性能和響應(yīng)速度。
本文將介紹一下Java多線程的用法。
基礎(chǔ)介紹
什么是多線程
指的是在一個(gè)進(jìn)程中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程，每個(gè)線程都可以獨(dú)立執(zhí)行不同的任務(wù)或操作。 與單線程相比，多線程可以提高程序的并發(fā)性和響應(yīng)能力。
什么是進(jìn)程
是指正在運(yùn)行的程序的實(shí)例。
每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的內(nèi)存空間、代碼、數(shù)據(jù)和文件等資源，可以獨(dú)立運(yùn)行、調(diào)度和管理。在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程是系統(tǒng)資源分配的最小單位，是實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的基礎(chǔ)。
Java多線程
Java多線程是指在一個(gè)Java程序中同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程，它可以提高程序的并發(fā)性和響應(yīng)能力。Java中實(shí)現(xiàn)多線程的方式：
- 繼承Thread類
- 實(shí)現(xiàn)Runnable接口
- Executor框架
- Callable
- Future
- 線程池
繼承Thread類
繼承Thread類是實(shí)現(xiàn)多線程的一種方式，只需要繼承Thread類并重寫run()方法即可。
public class ThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建10個(gè)線程并啟動(dòng)
for (int i = 0; i < 10; i++) {
MyThread thread = new MyThread(i);
thread.start();
}
}
}
class MyThread extends Thread {
private int id;
public MyThread(int id) {
this.id = id;
}
public void run() {
System.out.println("Thread " + id + " is running");
try {
Thread.sleep(1000); // 模擬任務(wù)執(zhí)行時(shí)間
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}以上代碼中，首先創(chuàng)建了一個(gè)ThreadDemo類，在main函數(shù)中創(chuàng)建了10個(gè)線程，并啟動(dòng)這些線程。
每個(gè)線程都是MyThread類的實(shí)例，MyThread類繼承了Thread類，并重寫了run()方法，在方法中模擬了一個(gè)需要執(zhí)行1秒鐘的任務(wù)。
在main函數(shù)中，通過(guò)創(chuàng)建MyThread類的實(shí)例，并調(diào)用start()方法啟動(dòng)線程。start()方法會(huì)調(diào)用線程的run()方法，在run()方法中執(zhí)行線程的任務(wù)。
實(shí)現(xiàn)Runnable接口
另一種實(shí)現(xiàn)多線程的方式是實(shí)現(xiàn)Runnable接口，需要實(shí)現(xiàn)run()方法，并將實(shí)現(xiàn)了Runnable接口的對(duì)象傳遞給Thread類的構(gòu)造函數(shù)。
public class RunnableDemo {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建10個(gè)線程并啟動(dòng)
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Runnable task = new MyTask(i);
Thread thread = new Thread(task);
thread.start();
}
}
}
class MyTask implements Runnable {
private int id;
public MyTask(int id) {
this.id = id;
}
public void run() {
System.out.println("Thread " + id + " is running");
try {
Thread.sleep(1000); // 模擬任務(wù)執(zhí)行時(shí)間
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}以上代碼中，創(chuàng)建了一個(gè)RunnableDemo類，在main函數(shù)中創(chuàng)建了10個(gè)線程，并啟動(dòng)這些線程。
每個(gè)線程都是MyTask類的實(shí)例，MyTask類實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，并重寫了run()方法，在方法中模擬了一個(gè)需要執(zhí)行1秒鐘的任務(wù)。
在main函數(shù)中，通過(guò)創(chuàng)建MyTask類的實(shí)例，并創(chuàng)建一個(gè)Thread對(duì)象，將Runnable對(duì)象作為參數(shù)傳遞給Thread構(gòu)造方法，最后調(diào)用start()方法啟動(dòng)線程。start()方法會(huì)調(diào)用線程的run()方法，在run()方法中執(zhí)行線程的任務(wù)。
在使用實(shí)現(xiàn)Runnable接口實(shí)現(xiàn)多線程時(shí)，可以更好地分離任務(wù)和線程，并提高代碼的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。
如果需要添加更多的線程或任務(wù)，只需要?jiǎng)?chuàng)建更多的Runnable實(shí)例，并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的Thread對(duì)象即可，不需要?jiǎng)?chuàng)建更多的線程類，并且可以更好地重用代碼。
Executor框架
Executor框架是Java提供的一個(gè)線程池框架，用于管理和調(diào)度多個(gè)線程。通過(guò)Executor框架，可以更方便地實(shí)現(xiàn)多線程，避免手動(dòng)管理線程帶來(lái)的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。
Executor框架的核心接口是Executor和ExecutorService，
- Executor是一個(gè)簡(jiǎn)單的線程池接口，只有一個(gè)execute()方法，用于提交一個(gè)Runnable任務(wù)給線程池執(zhí)行。
- ExecutorService是Executor的擴(kuò)展接口，提供了更多的管理和調(diào)度線程的方法，如submit()、shutdown()、awaitTermination()等。
使用Executor框架實(shí)現(xiàn)多線程，通常需要以下步驟：
- 創(chuàng)建一個(gè)ExecutorService對(duì)象，可以使用Executors類提供的靜態(tài)方法創(chuàng)建線程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
- 將需要執(zhí)行的任務(wù)封裝成一個(gè)Runnable或Callable對(duì)象，可以使用Java中的匿名內(nèi)部類或Lambda表達(dá)式來(lái)創(chuàng)建。
- 將任務(wù)提交給ExecutorService對(duì)象執(zhí)行，可以使用submit()方法提交Callable對(duì)象，或使用execute()方法提交Runnable對(duì)象。
- 在程序完成時(shí)，調(diào)用shutdown()方法關(guān)閉線程池，或使用awaitTermination()方法等待所有線程執(zhí)行完畢。
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ExecutorDemo {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個(gè)包含10個(gè)線程的線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 提交10個(gè)任務(wù)給線程池執(zhí)行
for (int i = 0; i < 10; i++) {
executor.execute(new MyTask(i));
}
// 關(guān)閉線程池
executor.shutdown();
}
}
class MyTask implements Runnable {
private int id;
public MyTask(int id) {
this.id = id;
}
public void run() {
System.out.println("Thread " + id + " is running");
try {
Thread.sleep(1000); // 模擬任務(wù)執(zhí)行時(shí)間
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}在上面的例子中，先創(chuàng)建了一個(gè)ExecutorDemo類，在main函數(shù)中創(chuàng)建了一個(gè)包含10個(gè)線程的線程池。
每個(gè)線程池中的線程都可以執(zhí)行MyTask類的實(shí)例，MyTask類實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，并重寫了run()方法，在方法中模擬了一個(gè)需要執(zhí)行1秒鐘的任務(wù)。
在main函數(shù)中，創(chuàng)建MyTask類的實(shí)例，并調(diào)用ExecutorService的execute()方法提交給線程池執(zhí)行。
execute()方法會(huì)將任務(wù)提交給線程池中的一個(gè)空閑線程執(zhí)行。
最后調(diào)用ExecutorService的shutdown()方法關(guān)閉線程池。
需要注意的是，shutdown()方法會(huì)等待所有線程執(zhí)行完畢后才會(huì)關(guān)閉線程池，如果需要立即關(guān)閉線程池，可以使用shutdownNow()方法。
Callable實(shí)現(xiàn)多線程
Callable是Java中的一個(gè)接口，與Runnable接口類似，都用于封裝一個(gè)線程執(zhí)行的任務(wù)。
不同的是，Callable接口的call()方法可以返回一個(gè)結(jié)果，而Runnable接口的run()方法沒(méi)有返回值。
使用Callable實(shí)現(xiàn)多線程，通常需要以下步驟：
- 創(chuàng)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)了Callable接口的類，實(shí)現(xiàn)call()方法，并在方法中編寫線程執(zhí)行的代碼。
- 創(chuàng)建一個(gè)ExecutorService對(duì)象，可以使用Executors類提供的靜態(tài)方法創(chuàng)建線程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
- 將Callable對(duì)象提交給ExecutorService對(duì)象執(zhí)行，可以使用submit()方法提交。
- 調(diào)用Future對(duì)象的get()方法獲取Callable線程執(zhí)行的結(jié)果。
- 在程序完成時(shí)，調(diào)用shutdown()方法關(guān)閉線程池，或使用awaitTermination()方法等待所有線程執(zhí)行完畢。
import java.util.concurrent.*;
public class CallableDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 創(chuàng)建一個(gè)線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 提交10個(gè)Callable任務(wù)給線程池執(zhí)行
Future<Integer>[] results = new Future[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Callable<Integer> task = new MyTask(i);
results[i] = executor.submit(task);
}
// 輸出Callable任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Integer result = results[i].get();
System.out.println("Task " + i + " result is " + result);
}
// 關(guān)閉線程池
executor.shutdown();
}
}
class MyTask implements Callable<Integer> {
private int id;
public MyTask(int id) {
this.id = id;
}
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("Task " + id + " is running");
Thread.sleep(1000); // 模擬任務(wù)執(zhí)行時(shí)間
return id * 10;
}
}首先創(chuàng)建一個(gè)線程池，然后提交10個(gè)Callable任務(wù)給線程池執(zhí)行。每個(gè)Callable任務(wù)都是MyTask類的實(shí)例，MyTask類實(shí)現(xiàn)了Callable接口，并重寫了call()方法，在方法中模擬了一個(gè)需要執(zhí)行1秒鐘的任務(wù)，并返回一個(gè)結(jié)果。
詳細(xì)解釋如下：
- 創(chuàng)建一個(gè)線程池，通過(guò)調(diào)用Executors的靜態(tài)方法newFixedThreadPool(10)，創(chuàng)建了一個(gè)固定大小為10的線程池。
- 在for循環(huán)中，通過(guò)創(chuàng)建MyTask類的實(shí)例，將其封裝為Callable對(duì)象，并通過(guò)ExecutorService的submit()方法提交給線程池執(zhí)行。submit()方法會(huì)返回一個(gè)Future對(duì)象，代表了Callable任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。
- 在for循環(huán)中，通過(guò)Future數(shù)組記錄每個(gè)Callable任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，可以通過(guò)調(diào)用get()方法獲取Callable任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。如果Callable任務(wù)還沒(méi)有執(zhí)行完成，get()方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程，直到任務(wù)執(zhí)行完成并返回結(jié)果。如果任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生異常，get()方法會(huì)拋出ExecutionException異常。
- 在任務(wù)完成后，可以通過(guò)調(diào)用Future對(duì)象的get()方法獲取任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，并打印輸出。
- 最后調(diào)用ExecutorService的shutdown()方法關(guān)閉線程池，應(yīng)該在所有任務(wù)執(zhí)行完成后才能關(guān)閉線程池。
注意，在使用Callable實(shí)現(xiàn)多線程時(shí)，要考慮線程安全、同步機(jī)制、任務(wù)調(diào)度和管理等問(wèn)題，以確保程序的正確性和穩(wěn)定性。
同時(shí)，由于Callable任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間可能會(huì)比較長(zhǎng)，可以設(shè)置超時(shí)時(shí)間來(lái)避免任務(wù)執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的程序阻塞。
Future實(shí)現(xiàn)多線程
Future是Java中的一個(gè)接口，用于異步獲取任務(wù)執(zhí)行結(jié)果。
在多線程編程中，可以使用Future來(lái)獲取異步任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，以便在任務(wù)完成后進(jìn)行處理或展示。
使用Future實(shí)現(xiàn)多線程，需要以下步驟：
- 創(chuàng)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)了Callable接口的類，實(shí)現(xiàn)call()方法，并在方法中編寫線程執(zhí)行的代碼。
- 創(chuàng)建一個(gè)ExecutorService對(duì)象，可以使用Executors類提供的靜態(tài)方法創(chuàng)建線程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
- 將Callable對(duì)象提交給ExecutorService對(duì)象執(zhí)行，可以使用submit()方法提交，submit()方法會(huì)返回一個(gè)Future對(duì)象。
- 調(diào)用Future對(duì)象的get()方法獲取Callable線程執(zhí)行的結(jié)果。如果任務(wù)還沒(méi)有執(zhí)行完成，get()方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程直到任務(wù)執(zhí)行完成并返回結(jié)果。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;
public class FutureDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 創(chuàng)建一個(gè)線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 提交10個(gè)Callable任務(wù)給線程池執(zhí)行
List<Future<Integer>> results = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Callable<Integer> task = new MyTask(i);
Future<Integer> result = executor.submit(task);
results.add(result);
}
// 輸出Callable任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Integer result = results.get(i).get();
System.out.println("Task " + i + " result is " + result);
}
// 關(guān)閉線程池
executor.shutdown();
}
}
class MyTask implements Callable<Integer> {
private int id;
public MyTask(int id) {
this.id = id;
}
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("Task " + id + " is running");
Thread.sleep(1000); // 模擬任務(wù)執(zhí)行時(shí)間
return id * 10;
}
}在以上示例中:
- 首先創(chuàng)建了一個(gè)線程池，然后提交10個(gè)Callable任務(wù)給線程池執(zhí)行。每個(gè)Callable任務(wù)都是MyTask類的實(shí)例，MyTask類實(shí)現(xiàn)了Callable接口，并重寫了call()方法，在方法中模擬了一個(gè)需要執(zhí)行1秒鐘的任務(wù)，并返回一個(gè)結(jié)果。
- 在main函數(shù)中，使用List記錄每個(gè)Callable任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果的Future對(duì)象，并在任務(wù)完成后通過(guò)調(diào)用get()方法獲取Callable任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。如果任務(wù)還沒(méi)有執(zhí)行完成，get()方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程直到任務(wù)執(zhí)行完成并返回結(jié)果。
- 最后關(guān)閉線程池。
線程池實(shí)現(xiàn)多線程
線程池是Java中提供的一個(gè)用于管理和復(fù)用多個(gè)線程的框架，可以有效地提高多線程應(yīng)用程序的性能和可靠性。
使用線程池實(shí)現(xiàn)多線程，通常需要以下步驟：
- 創(chuàng)建一個(gè)線程池，可以使用Executors類提供的靜態(tài)方法創(chuàng)建線程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
- 創(chuàng)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)了Runnable接口或Callable接口的類，實(shí)現(xiàn)run()方法或call()方法，并在方法中編寫線程執(zhí)行的代碼。
- 將Runnable對(duì)象或Callable對(duì)象提交給線程池執(zhí)行，可以使用submit()方法提交，submit()方法會(huì)返回一個(gè)Future對(duì)象。
- 關(guān)閉線程池，可以調(diào)用shutdown()方法或shutdownNow()方法。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;
public class ThreadPoolDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 創(chuàng)建一個(gè)包含10個(gè)線程的線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 提交10個(gè)任務(wù)給線程池執(zhí)行，并記錄每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果
List<Future<Integer>> results = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Callable<Integer> task = new MyTask(i);
Future<Integer> result = executor.submit(task);
results.add(result);
}
// 等待所有任務(wù)執(zhí)行完成
executor.shutdown();
executor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
// 輸出所有任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果
int total = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
Integer result = results.get(i).get();
System.out.println("Task " + i + " result is " + result);
total += result;
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
System.out.println("Task " + i + " execution error: " + e.getCause().getMessage());
}
}
System.out.println("Total result is " + total);
}
}
class MyTask implements Callable<Integer> {
private int id;
public MyTask(int id) {
this.id = id;
}
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("Task " + id + " is running");
Thread.sleep(2000); // 模擬任務(wù)執(zhí)行時(shí)間
if (id % 2 == 0) {
throw new RuntimeException("Task " + id + " execution error");
}
return id * 10;
}
}在以上示例中，首先創(chuàng)建了一個(gè)包含10個(gè)線程的線程池，然后提交10個(gè)任務(wù)給線程池執(zhí)行。每個(gè)任務(wù)都是MyTask類的實(shí)例，MyTask類實(shí)現(xiàn)了Callable接口，并重寫了call()方法，在方法中模擬了一個(gè)需要執(zhí)行2秒鐘的任務(wù)，并返回一個(gè)結(jié)果。
其中，如果任務(wù)的id是偶數(shù)，會(huì)拋出一個(gè)運(yùn)行時(shí)異常。
在main函數(shù)中，使用List記錄每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果的Future對(duì)象，并在任務(wù)完成后通過(guò)調(diào)用get()方法獲取任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。
如果任務(wù)還沒(méi)有執(zhí)行完成，get()方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程直到任務(wù)執(zhí)行完成并返回結(jié)果。
在所有任務(wù)提交給線程池后，調(diào)用ExecutorService的shutdown()方法關(guān)閉線程池，并調(diào)用awaitTermination()方法等待所有任務(wù)執(zhí)行完成。
最后輸出所有任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，并計(jì)算所有任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果的總和。
總結(jié)
總之，Java多線程是提高程序并發(fā)性和響應(yīng)能力的重要手段，需要掌握多線程的實(shí)現(xiàn)方式、同步機(jī)制、線程之間的通信機(jī)制等，以確保多線程程序的正確性和穩(wěn)定性。
