深入浅出、玩转Java多线程

2023-09-01 Java技术指北

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哈喽，大家好，我是了不起。

JAVA多线程是Java编程语言的一个特性，它允许程序在同一时间执行多个任务。使用多线程可以充分利用计算机的多核处理器，提高程序的性能和响应速度。

本文将介绍一下Java多线程的用法。

基础介绍

什么是多线程

指的是在一个进程中同时运行多个线程，每个线程都可以独立执行不同的任务或操作。与单线程相比，多线程可以提高程序的并发性和响应能力。

什么是进程

是指正在运行的程序的实例。

每个进程都拥有自己的内存空间、代码、数据和文件等资源，可以独立运行、调度和管理。在操作系统中，进程是系统资源分配的最小单位，是实现多任务的基础。

Java多线程

Java多线程是指在一个Java程序中同时执行多个线程，它可以提高程序的并发性和响应能力。Java中实现多线程的方式：

继承Thread类
实现Runnable接口
Executor框架
Callable
Future
线程池

继承Thread类

继承Thread类是实现多线程的一种方式，只需要继承Thread类并重写run()方法即可。

public class ThreadDemo {
    public static void mAIn(String[] args) {
        // 创建10个线程并启动
        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);  // 模拟任务执行时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上代码中，首先创建了一个ThreadDemo类，在main函数中创建了10个线程，并启动这些线程。

每个线程都是MyThread类的实例，MyThread类继承了Thread类，并重写了run()方法，在方法中模拟了一个需要执行1秒钟的任务。

在main函数中，通过创建MyThread类的实例，并调用start()方法启动线程。start()方法会调用线程的run()方法，在run()方法中执行线程的任务。

实现Runnable接口

另一种实现多线程的方式是实现Runnable接口，需要实现run()方法，并将实现了Runnable接口的对象传递给Thread类的构造函数。

public class RunnableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建10个线程并启动
        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);  // 模拟任务执行时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上代码中，创建了一个RunnableDemo类，在main函数中创建了10个线程，并启动这些线程。

每个线程都是MyTask类的实例，MyTask类实现了Runnable接口，并重写了run()方法，在方法中模拟了一个需要执行1秒钟的任务。

在main函数中，通过创建MyTask类的实例，并创建一个Thread对象，将Runnable对象作为参数传递给Thread构造方法，最后调用start()方法启动线程。start()方法会调用线程的run()方法，在run()方法中执行线程的任务。

在使用实现Runnable接口实现多线程时，可以更好地分离任务和线程，并提高代码的可扩展性和可维护性。

如果需要添加更多的线程或任务，只需要创建更多的Runnable实例，并创建对应的Thread对象即可，不需要创建更多的线程类，并且可以更好地重用代码。

Executor框架

Executor框架是Java提供的一个线程池框架，用于管理和调度多个线程。通过Executor框架，可以更方便地实现多线程，避免手动管理线程带来的复杂性和风险。

Executor框架的核心接口是Executor和ExecutorService，

Executor是一个简单的线程池接口，只有一个execute()方法，用于提交一个Runnable任务给线程池执行。
ExecutorService是Executor的扩展接口，提供了更多的管理和调度线程的方法，如submit()、shutdown()、awaitTermination()等。

使用Executor框架实现多线程，通常需要以下步骤：

创建一个ExecutorService对象，可以使用Executors类提供的静态方法创建线程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
将需要执行的任务封装成一个Runnable或Callable对象，可以使用Java中的匿名内部类或Lambda表达式来创建。
将任务提交给ExecutorService对象执行，可以使用submit()方法提交Callable对象，或使用execute()方法提交Runnable对象。
在程序完成时，调用shutdown()方法关闭线程池，或使用awaitTermination()方法等待所有线程执行完毕。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
 
public class ExecutorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个包含10个线程的线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
        // 提交10个任务给线程池执行
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.execute(new MyTask(i));
        }
 
        // 关闭线程池
        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);  // 模拟任务执行时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上面的例子中，先创建了一个ExecutorDemo类，在main函数中创建了一个包含10个线程的线程池。

每个线程池中的线程都可以执行MyTask类的实例，MyTask类实现了Runnable接口，并重写了run()方法，在方法中模拟了一个需要执行1秒钟的任务。

在main函数中，创建MyTask类的实例，并调用ExecutorService的execute()方法提交给线程池执行。

execute()方法会将任务提交给线程池中的一个空闲线程执行。

最后调用ExecutorService的shutdown()方法关闭线程池。

需要注意的是，shutdown()方法会等待所有线程执行完毕后才会关闭线程池，如果需要立即关闭线程池，可以使用shutdownNow()方法。

Callable实现多线程

Callable是Java中的一个接口，与Runnable接口类似，都用于封装一个线程执行的任务。

不同的是，Callable接口的call()方法可以返回一个结果，而Runnable接口的run()方法没有返回值。

使用Callable实现多线程，通常需要以下步骤：

创建一个实现了Callable接口的类，实现call()方法，并在方法中编写线程执行的代码。
创建一个ExecutorService对象，可以使用Executors类提供的静态方法创建线程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
将Callable对象提交给ExecutorService对象执行，可以使用submit()方法提交。
调用Future对象的get()方法获取Callable线程执行的结果。
在程序完成时，调用shutdown()方法关闭线程池，或使用awaitTermination()方法等待所有线程执行完毕。

import java.util.concurrent.*;
 
public class CallableDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
        // 提交10个Callable任务给线程池执行
        Future<Integer>[] results = new Future[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Callable<Integer> task = new MyTask(i);
            results[i] = executor.submit(task);
        }
 
        // 输出Callable任务的执行结果
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Integer result = results[i].get();
            System.out.println("Task " + i + " result is " + result);
        }
 
        // 关闭线程池
        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);  // 模拟任务执行时间
        return id * 10;
    }
}

首先创建一个线程池，然后提交10个Callable任务给线程池执行。每个Callable任务都是MyTask类的实例，MyTask类实现了Callable接口，并重写了call()方法，在方法中模拟了一个需要执行1秒钟的任务，并返回一个结果。

详细解释如下：

创建一个线程池，通过调用Executors的静态方法newFixedThreadPool(10)，创建了一个固定大小为10的线程池。
在for循环中，通过创建MyTask类的实例，将其封装为Callable对象，并通过ExecutorService的submit()方法提交给线程池执行。submit()方法会返回一个Future对象，代表了Callable任务的执行结果。
在for循环中，通过Future数组记录每个Callable任务的执行结果，可以通过调用get()方法获取Callable任务的执行结果。如果Callable任务还没有执行完成，get()方法会阻塞当前线程，直到任务执行完成并返回结果。如果任务执行过程中发生异常，get()方法会抛出ExecutionException异常。
在任务完成后，可以通过调用Future对象的get()方法获取任务的执行结果，并打印输出。
最后调用ExecutorService的shutdown()方法关闭线程池，应该在所有任务执行完成后才能关闭线程池。

注意，在使用Callable实现多线程时，要考虑线程安全、同步机制、任务调度和管理等问题，以确保程序的正确性和稳定性。

同时，由于Callable任务的执行时间可能会比较长，可以设置超时时间来避免任务执行时间过长导致的程序阻塞。

Future实现多线程

Future是Java中的一个接口，用于异步获取任务执行结果。

在多线程编程中，可以使用Future来获取异步任务的执行结果，以便在任务完成后进行处理或展示。

使用Future实现多线程，需要以下步骤：

创建一个实现了Callable接口的类，实现call()方法，并在方法中编写线程执行的代码。
创建一个ExecutorService对象，可以使用Executors类提供的静态方法创建线程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
将Callable对象提交给ExecutorService对象执行，可以使用submit()方法提交，submit()方法会返回一个Future对象。
调用Future对象的get()方法获取Callable线程执行的结果。如果任务还没有执行完成，get()方法会阻塞当前线程直到任务执行完成并返回结果。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;
 
public class FutureDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
        // 提交10个Callable任务给线程池执行
        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);
        }
 
        // 输出Callable任务的执行结果
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Integer result = results.get(i).get();
            System.out.println("Task " + i + " result is " + result);
        }
 
        // 关闭线程池
        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);  // 模拟任务执行时间
        return id * 10;
    }
}

在以上示例中:

首先创建了一个线程池，然后提交10个Callable任务给线程池执行。每个Callable任务都是MyTask类的实例，MyTask类实现了Callable接口，并重写了call()方法，在方法中模拟了一个需要执行1秒钟的任务，并返回一个结果。
在main函数中，使用List记录每个Callable任务的执行结果的Future对象，并在任务完成后通过调用get()方法获取Callable任务的执行结果。如果任务还没有执行完成，get()方法会阻塞当前线程直到任务执行完成并返回结果。
最后关闭线程池。

线程池实现多线程

线程池是Java中提供的一个用于管理和复用多个线程的框架，可以有效地提高多线程应用程序的性能和可靠性。

使用线程池实现多线程，通常需要以下步骤：

创建一个线程池，可以使用Executors类提供的静态方法创建线程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
创建一个实现了Runnable接口或Callable接口的类，实现run()方法或call()方法，并在方法中编写线程执行的代码。
将Runnable对象或Callable对象提交给线程池执行，可以使用submit()方法提交，submit()方法会返回一个Future对象。
关闭线程池，可以调用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 {
        // 创建一个包含10个线程的线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
        // 提交10个任务给线程池执行，并记录每个任务的执行结果
        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);
        }
 
        // 等待所有任务执行完成
        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
 
        // 输出所有任务的执行结果
        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);  // 模拟任务执行时间
        if (id % 2 == 0) {
            throw new RuntimeException("Task " + id + " execution error");
        }
        return id * 10;
    }
}

在以上示例中，首先创建了一个包含10个线程的线程池，然后提交10个任务给线程池执行。每个任务都是MyTask类的实例，MyTask类实现了Callable接口，并重写了call()方法，在方法中模拟了一个需要执行2秒钟的任务，并返回一个结果。

其中，如果任务的id是偶数，会抛出一个运行时异常。

在main函数中，使用List记录每个任务的执行结果的Future对象，并在任务完成后通过调用get()方法获取任务的执行结果。

如果任务还没有执行完成，get()方法会阻塞当前线程直到任务执行完成并返回结果。

在所有任务提交给线程池后，调用ExecutorService的shutdown()方法关闭线程池，并调用awaitTermination()方法等待所有任务执行完成。

最后输出所有任务的执行结果，并计算所有任务的执行结果的总和。

总结

总之，Java多线程是提高程序并发性和响应能力的重要手段，需要掌握多线程的实现方式、同步机制、线程之间的通信机制等，以确保多线程程序的正确性和稳定性。