【Java系列】深入解析Java多线程

2024-02-27 1252阅读

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问题

思考一下这个问题，我们将围绕这三个问题来开始学习：

什么是多线程
Java怎么实现多线程

Java多线程示例

1 基础介绍

什么是多线程

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

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。

在Java中，每个Java虚拟机（JVM）都是一个进程，可以同时运行多个Java程序，每个Java程序都是一个独立的进程。

2 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

1 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  
 
 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。 
  
 
 
2 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  
 
 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。 
 
3 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。
 
下面是一个使用Executor框架实现多线程的示例： 
 
 
 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  
 
代码讲解：  
 
 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。
 
下面是一个使用Callable实现多线程的示例： 
 
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[] results = new Future[10];
        for (int i = 0; i  
 
 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。
 
代码示例： 
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 results = new ArrayList();
        for (int i = 0; i  
示例讲解 
 
 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。
 
代码示例：  
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 results = new ArrayList();
        for (int i = 0; i  
示例讲解： 
 
 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 
 
 在多线程编程中，线程安全是一个重要的问题。后面文章会详细讲解： 
 Java中的同步机制，如synchronized关键字、Lock接口等，
线程之间的通信机制，如wait()、notify()、notifyAll()等。
程序如何避免死锁、竞态条件等问题，以确保程序的正确性和稳定性。
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。 
 
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