怎么解析Java多線程程序設(shè)計(jì)

小編今天帶大家了解怎么解析Java多線程程序設(shè)計(jì)，文中知識(shí)點(diǎn)介紹的非常詳細(xì)。覺(jué)得有幫助的朋友可以跟著小編一起瀏覽文章的內(nèi)容，希望能夠幫助更多想解決這個(gè)問(wèn)題的朋友找到問(wèn)題的答案，下面跟著小編一起深入學(xué)習(xí)“怎么解析Java多線程程序設(shè)計(jì)”的知識(shí)吧。

一、理解多線程
多線程是這樣一種機(jī)制，它允許在程序中并發(fā)執(zhí)行多個(gè)指令流，每個(gè)指令流都稱為一個(gè)線程，彼此間互相獨(dú)立。線程又稱為輕量級(jí)進(jìn)程，它和進(jìn)程一樣擁有獨(dú)立的執(zhí)行控制，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度，區(qū)別在于線程沒(méi)有獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，而是和所屬進(jìn)程中的其它線程共享一個(gè)存儲(chǔ)空間，這使得線程間的通信遠(yuǎn)較進(jìn)程簡(jiǎn)單。
多個(gè)線程的執(zhí)行是并發(fā)的，也就是在邏輯上“同時(shí)”，而不管是否是物理上的“同時(shí)”。如果系統(tǒng)只有一個(gè)CPU，那么真正的“同時(shí)”是不可能的，但是由于CPU的速度非?？?，用戶感覺(jué)不到其中的區(qū)別，因此我們也不用關(guān)心它，只需要設(shè)想各個(gè)線程是同時(shí)執(zhí)行即可。
多線程和傳統(tǒng)的單線程在程序設(shè)計(jì)上最大的區(qū)別在于，由于各個(gè)線程的控制流彼此獨(dú)立，使得各個(gè)線程之間的代碼是亂序執(zhí)行的，由此帶來(lái)的線程調(diào)度，同步等問(wèn)題，將在以后探討。

二、在Java中實(shí)現(xiàn)多線程

我們不妨設(shè)想，為了創(chuàng)建一個(gè)新的線程，我們需要做些什么？很顯然，我們必須指明這個(gè)線程所要執(zhí)行的代碼，而這就是在Java中實(shí)現(xiàn)多線程我們所需要做的一切！
真是神奇！Java是如何做到這一點(diǎn)的？通過(guò)類！作為一個(gè)完全面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，Java提供了類 java.lang.Thread 來(lái)方便多線程編程，這個(gè)類提供了大量的方法來(lái)方便我們控制自己的各個(gè)線程，我們以后的討論都將圍繞這個(gè)類進(jìn)行。
那么如何提供給 Java 我們要線程執(zhí)行的代碼呢？讓我們來(lái)看一看 Thread 類。Thread 類最重要的方法是 run() ，它為Thread 類的方法 start() 所調(diào)用，提供我們的線程所要執(zhí)行的代碼。為了指定我們自己的代碼，只需要覆蓋它！
　　方法一：繼承 Thread 類，覆蓋方法 run()，我們?cè)趧?chuàng)建的 Thread 類的子類中重寫 run() ,加入線程所要執(zhí)行的代碼即可。下面是一個(gè)例子：
public class MyThread extends Thread {
　int count= 1, number;
　public MyThread(int num) {
　　number = num;
　　System.out.println("創(chuàng)建線程 " + number);
　}
　public void run() {
　　while(true) {
　　　System.out.println("線程 " + number + ":計(jì)數(shù) " + count);
　　　if(++count== 6) return;
　　}
　}
　public static void main(String args[]) {
　　for(int i = 0; i < 5; i++) new MyThread(i+1).start();
　}
}

這種方法簡(jiǎn)單明了，符合大家的習(xí)慣，但是，它也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，那就是如果我們的類已經(jīng)從一個(gè)類繼承（如小程序必須繼承自 Applet 類），則無(wú)法再繼承 Thread 類，這時(shí)如果我們又不想建立一個(gè)新的類，應(yīng)該怎么辦呢？
我們不妨來(lái)探索一種新的方法：我們不創(chuàng)建 Thread 類的子類，而是直接使用它，那么我們只能將我們的方法作為參數(shù)傳遞給 Thread 類的實(shí)例，有點(diǎn)類似回調(diào)函數(shù)。但是 Java 沒(méi)有指針，我們只能傳遞一個(gè)包含這個(gè)方法的類的實(shí)例。那么如何限制這個(gè)類必須包含這一方法呢？當(dāng)然是使用接口?。m然抽象類也可滿足，但是需要繼承，而我們之所以要采用這種新方法，不就是為了避免繼承帶來(lái)的限制嗎？）
Java 提供了接口 java.lang.Runnable 來(lái)支持這種方法。

　　方法二：實(shí)現(xiàn) Runnable 接口
Runnable 接口只有一個(gè)方法 run()，我們聲明自己的類實(shí)現(xiàn) Runnable 接口并提供這一方法，將我們的線程代碼寫入其中，就完成了這一部分的任務(wù)。但是 Runnable 接口并沒(méi)有任何對(duì)線程的支持，我們還必須創(chuàng)建 Thread 類的實(shí)例，這一點(diǎn)通過(guò) Thread 類的構(gòu)造函數(shù)public Thread(Runnable target);來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面是一個(gè)例子：
public class MyThread implements Runnable {
　int count= 1, number;
　public MyThread(int num) {
　　number = num;
　　System.out.println("創(chuàng)建線程 " + number);
　}
　public void run() {
　　while(true) {
　　　System.out.println("線程 " + number + ":計(jì)數(shù) " + count);
　　　if(++count== 6) return;
　　}
　}
　public static void main(String args[]) {
　　for(int i = 0; i < 5; i++) new Thread(new MyThread(i+1)).start();
　}
}

嚴(yán)格地說(shuō)，創(chuàng)建 Thread 子類的實(shí)例也是可行的，但是必須注意的是，該子類必須沒(méi)有覆蓋 Thread 類的 run 方法，否則該線程執(zhí)行的將是子類的 run 方法，而不是我們用以實(shí)現(xiàn)Runnable 接口的類的 run 方法，對(duì)此大家不妨試驗(yàn)一下。
　　使用 Runnable 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程使得我們能夠在一個(gè)類中包容所有的代碼，有利于封裝，它的缺點(diǎn)在于，我們只能使用一套代碼，若想創(chuàng)建多個(gè)線程并使各個(gè)線程執(zhí)行不同的代碼，則仍必須額外創(chuàng)建類，如果這樣的話，在大多數(shù)情況下也許還不如直接用多個(gè)類分別繼承 Thread 來(lái)得緊湊。綜上所述，兩種方法各有千秋，大家可以靈活運(yùn)用。

　　下面讓我們一起來(lái)研究一下多線程使用中的一些問(wèn)題。
三、線程的四種狀態(tài)
　　1. 新狀態(tài)：線程已被創(chuàng)建但尚未執(zhí)行（start() 尚未被調(diào)用）。

　　2. 可執(zhí)行狀態(tài)：線程可以執(zhí)行，雖然不一定正在執(zhí)行。CPU 時(shí)間隨時(shí)可能被分配給該線程，從而使得它執(zhí)行。

　　3. 死亡狀態(tài)：正常情況下 run() 返回使得線程死亡。調(diào)用 stop()或 destroy() 亦有同樣效果，但是不被推薦，前者會(huì)產(chǎn)生異常，后者是強(qiáng)制終止，不會(huì)釋放鎖。

　　4. 阻塞狀態(tài)：線程不會(huì)被分配 CPU 時(shí)間，無(wú)法執(zhí)行。

四、線程的優(yōu)先級(jí)
線程的優(yōu)先級(jí)代表該線程的重要程度，當(dāng)有多個(gè)線程同時(shí)處于可執(zhí)行狀態(tài)并等待獲得 CPU 時(shí)間時(shí)，線程調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)來(lái)決定給誰(shuí)分配 CPU 時(shí)間，優(yōu)先級(jí)高的線程有更大的機(jī)會(huì)獲得 CPU 時(shí)間，優(yōu)先級(jí)低的線程也不是沒(méi)有機(jī)會(huì)，只是機(jī)會(huì)要小一些罷了。
你可以調(diào)用 Thread 類的方法 getPriority() 和 setPriority()來(lái)存取線程的優(yōu)先級(jí)，線程的優(yōu)先級(jí)界于1(MIN_PRIORITY)和10(MAX_PRIORITY)之間，缺省是5(NORM_PRIORITY)。

五、線程的同步

由于同一進(jìn)程的多個(gè)線程共享同一片存儲(chǔ)空間，在帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了訪問(wèn)沖突這個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。Java語(yǔ)言提供了專門機(jī)制以解決這種沖突，有效避免了同一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象被多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)。
　　由于我們可以通過(guò) private 關(guān)鍵字來(lái)保證數(shù)據(jù)對(duì)象只能被方法訪問(wèn)，所以我們只需針對(duì)方法提出一套機(jī)制，這套機(jī)制就是 synchronized 關(guān)鍵字，它包括兩種用法：synchronized 方法和 synchronized 塊。

　　1. synchronized 方法：通過(guò)在方法聲明中加入 synchronized關(guān)鍵字來(lái)聲明 synchronized 方法。如：

public synchronized void accessVal(int newVal);
　　synchronized 方法控制對(duì)類成員變量的訪問(wèn)：每個(gè)類實(shí)例對(duì)應(yīng)一把鎖，每個(gè) synchronized 方法都必須獲得調(diào)用該方法的類實(shí)例的鎖方能執(zhí)行，否則所屬線程阻塞，方法一旦執(zhí)行，就獨(dú)占該鎖，直到從該方法返回時(shí)才將鎖釋放，此后被阻塞的線程方能獲得該鎖，重新進(jìn)入可執(zhí)行狀態(tài)。這種機(jī)制確保了同一時(shí)刻對(duì)于每一個(gè)類實(shí)例，其所有聲明為 synchronized 的成員函數(shù)中至多只有一個(gè)處于可執(zhí)行狀態(tài)（因?yàn)橹炼嘀挥幸粋€(gè)能夠獲得該類實(shí)例對(duì)應(yīng)的鎖），從而有效避免了類成員變量的訪問(wèn)沖突（只要所有可能訪問(wèn)類成員變量的方法均被聲明為 synchronized）。

　　在 Java 中，不光是類實(shí)例，每一個(gè)類也對(duì)應(yīng)一把鎖，這樣我們也可將類的靜態(tài)成員函數(shù)聲明為 synchronized ，以控制其對(duì)類的靜態(tài)成員變量的訪問(wèn)。

　　synchronized 方法的缺陷：若將一個(gè)大的方法聲明為synchronized 將會(huì)大大影響效率，典型地，若將線程類的方法 run() 聲明為 synchronized ，由于在線程的整個(gè)生命期內(nèi)它一直在運(yùn)行，因此將導(dǎo)致它對(duì)本類任何 synchronized 方法的調(diào)用都永遠(yuǎn)不會(huì)成功。當(dāng)然我們可以通過(guò)將訪問(wèn)類成員變量的代碼放到專門的方法中，將其聲明為 synchronized ，并在主方法中調(diào)用來(lái)解決這一問(wèn)題，但是 Java 為我們提供了更好的解決辦法，那就是 synchronized 塊。

　　2. synchronized 塊：通過(guò) synchronized關(guān)鍵字來(lái)聲明synchronized 塊。語(yǔ)法如下：

synchronized(syncObject) {
//允許訪問(wèn)控制的代碼
}

synchronized 塊是這樣一個(gè)代碼塊，其中的代碼必須獲得對(duì)象 syncObject （如前所述，可以是類實(shí)例或類）的鎖方能執(zhí)行，具體機(jī)制同前所述。由于可以針對(duì)任意代碼塊，且可任意指定上鎖的對(duì)象，故靈活性較高。
六、線程的阻塞

為了解決對(duì)共享存儲(chǔ)區(qū)的訪問(wèn)沖突，Java 引入了同步機(jī)制，現(xiàn)在讓我們來(lái)考察多個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問(wèn)，顯然同步機(jī)制已經(jīng)不夠了，因?yàn)樵谌我鈺r(shí)刻所要求的資源不一定已經(jīng)準(zhǔn)備好了被訪問(wèn)，反過(guò)來(lái)，同一時(shí)刻準(zhǔn)備好了的資源也可能不止一個(gè)。為了解決這種情況下的訪問(wèn)控制問(wèn)題，Java 引入了對(duì)阻塞機(jī)制的支持。
阻塞指的是暫停一個(gè)線程的執(zhí)行以等待某個(gè)條件發(fā)生（如某資源就緒），學(xué)過(guò)操作系統(tǒng)的同學(xué)對(duì)它一定已經(jīng)很熟悉了。Java 提供了大量方法來(lái)支持阻塞，下面讓我們逐一分析。

　　1. sleep() 方法：sleep() 允許 指定以毫秒為單位的一段時(shí)間作為參數(shù)，它使得線程在指定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，不能得到CPU 時(shí)間，指定的時(shí)間一過(guò)，線程重新進(jìn)入可執(zhí)行狀態(tài)。
　　典型地，sleep() 被用在等待某個(gè)資源就緒的情形：測(cè)試發(fā)現(xiàn)條件不滿足后，讓線程阻塞一段時(shí)間后重新測(cè)試，直到條件滿足為止。

　　2. suspend() 和 resume() 方法：兩個(gè)方法配套使用，suspend()使得線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，并且不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，必須其對(duì)應(yīng)的resume() 被調(diào)用，才能使得線程重新進(jìn)入可執(zhí)行狀態(tài)。典型地，suspend() 和 resume() 被用在等待另一個(gè)線程產(chǎn)生的結(jié)果的情形：測(cè)試發(fā)現(xiàn)結(jié)果還沒(méi)有產(chǎn)生后，讓線程阻塞，另一個(gè)線程產(chǎn)生了結(jié)果后，調(diào)用 resume() 使其恢復(fù)。

　　3. yield() 方法：yield() 使得線程放棄當(dāng)前分得的 CPU 時(shí)間，但是不使線程阻塞，即線程仍處于可執(zhí)行狀態(tài)，隨時(shí)可能再次分得 CPU 時(shí)間。調(diào)用 yield() 的效果等價(jià)于調(diào)度程序認(rèn)為該線程已執(zhí)行了足夠的時(shí)間從而轉(zhuǎn)到另一個(gè)線程。

　　4. wait() 和 notify() 方法：兩個(gè)方法配套使用，wait() 使得線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，它有兩種形式，一種允許指定以毫秒為單位的一段時(shí)間作為參數(shù)，另一種沒(méi)有參數(shù)，前者當(dāng)對(duì)應(yīng)的 notify() 被調(diào)用或者超出指定時(shí)間時(shí)線程重新進(jìn)入可執(zhí)行狀態(tài)，后者則必須對(duì)應(yīng)的 notify() 被調(diào)用。

初看起來(lái)它們與 suspend() 和 resume() 方法對(duì)沒(méi)有什么分別，但是事實(shí)上它們是截然不同的。區(qū)別的核心在于，前面敘述的所有方法，阻塞時(shí)都不會(huì)釋放占用的鎖（如果占用了的話），而這一對(duì)方法則相反。
上述的核心區(qū)別導(dǎo)致了一系列的細(xì)節(jié)上的區(qū)別。

首先，前面敘述的所有方法都隸屬于 Thread 類，但是這一對(duì)卻直接隸屬于 Object 類，也就是說(shuō)，所有對(duì)象都擁有這一對(duì)方法。初看起來(lái)這十分不可思議，但是實(shí)際上卻是很自然的，因?yàn)檫@一對(duì)方法阻塞時(shí)要釋放占用的鎖，而鎖是任何對(duì)象都具有的，調(diào)用任意對(duì)象的 wait() 方法導(dǎo)致線程阻塞，并且該對(duì)象上的鎖被釋放。而調(diào)用 任意對(duì)象的notify()方法則導(dǎo)致因調(diào)用該對(duì)象的 wait() 方法而阻塞的線程中隨機(jī)選擇的一個(gè)解除阻塞（但要等到獲得鎖后才真正可執(zhí)行）。
其次，前面敘述的所有方法都可在任何位置調(diào)用，但是這一對(duì)方法卻必須在 synchronized 方法或塊中調(diào)用，理由也很簡(jiǎn)單，只有在synchronized 方法或塊中當(dāng)前線程才占有鎖，才有鎖可以釋放。同樣的道理，調(diào)用這一對(duì)方法的對(duì)象上的鎖必須為當(dāng)前線程所擁有，這樣才有鎖可以釋放。因此，這一對(duì)方法調(diào)用必須放置在這樣的 synchronized 方法或塊中，該方法或塊的上鎖對(duì)象就是調(diào)用這一對(duì)方法的對(duì)象。若不滿足這一條件，則程序雖然仍能編譯，但在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn) IllegalMonitorStateException 異常。
wait() 和 notify() 方法的上述特性決定了它們經(jīng)常和synchronized 方法或塊一起使用，將它們和操作系統(tǒng)的進(jìn)程間通信機(jī)制作一個(gè)比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的相似性：synchronized方法或塊提供了類似于操作系統(tǒng)原語(yǔ)的功能，它們的執(zhí)行不會(huì)受到多線程機(jī)制的干擾，而這一對(duì)方法則相當(dāng)于 block 和wakeup 原語(yǔ)（這一對(duì)方法均聲明為 synchronized）。它們的結(jié)合使得我們可以實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)上一系列精妙的進(jìn)程間通信的算法（如信號(hào)量算法），并用于解決各種復(fù)雜的線程間通信問(wèn)題。

關(guān)于 wait() 和 notify() 方法最后再說(shuō)明兩點(diǎn)：
第一：調(diào)用 notify() 方法導(dǎo)致解除阻塞的線程是從因調(diào)用該對(duì)象的 wait() 方法而阻塞的線程中隨機(jī)選取的，我們無(wú)法預(yù)料哪一個(gè)線程將會(huì)被選擇，所以編程時(shí)要特別小心，避免因這種不確定性而產(chǎn)生問(wèn)題。
第二：除了 notify()，還有一個(gè)方法 notifyAll() 也可起到類似作用，唯一的區(qū)別在于，調(diào)用 notifyAll() 方法將把因調(diào)用該對(duì)象的 wait() 方法而阻塞的所有線程一次性全部解除阻塞。當(dāng)然，只有獲得鎖的那一個(gè)線程才能進(jìn)入可執(zhí)行狀態(tài)。
談到阻塞，就不能不談一談死鎖，略一分析就能發(fā)現(xiàn)，suspend() 方法和不指定超時(shí)期限的 wait() 方法的調(diào)用都可能產(chǎn)生死鎖。遺憾的是，Java 并不在語(yǔ)言級(jí)別上支持死鎖的避免，我們?cè)诰幊讨斜仨毿⌒牡乇苊馑梨i。
以上我們對(duì) Java 中實(shí)現(xiàn)線程阻塞的各種方法作了一番分析，我們重點(diǎn)分析了 wait() 和 notify() 方法，因?yàn)樗鼈兊墓δ茏顝?qiáng)大，使用也最靈活，但是這也導(dǎo)致了它們的效率較低，較容易出錯(cuò)。實(shí)際使用中我們應(yīng)該靈活使用各種方法，以便更好地達(dá)到我們的目的。

七、守護(hù)線程

守護(hù)線程是一類特殊的線程，它和普通線程的區(qū)別在于它并不是應(yīng)用程序的核心部分，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序的所有非守護(hù)線程終止運(yùn)行時(shí)，即使仍然有守護(hù)線程在運(yùn)行，應(yīng)用程序也將終止，反之，只要有一個(gè)非守護(hù)線程在運(yùn)行，應(yīng)用程序就不會(huì)終止。守護(hù)線程一般被用于在后臺(tái)為其它線程提供服務(wù)。
　　可以通過(guò)調(diào)用方法 isDaemon() 來(lái)判斷一個(gè)線程是否是守護(hù)線程，也可以調(diào)用方法 setDaemon() 來(lái)將一個(gè)線程設(shè)為守護(hù)線程。

八、線程組

線程組是一個(gè) Java 特有的概念，在 Java 中，線程組是類ThreadGroup 的對(duì)象，每個(gè)線程都隸屬于唯一一個(gè)線程組，這個(gè)線程組在線程創(chuàng)建時(shí)指定并在線程的整個(gè)生命期內(nèi)都不能更改。你可以通過(guò)調(diào)用包含 ThreadGroup 類型參數(shù)的 Thread 類構(gòu)造函數(shù)來(lái)指定線程屬的線程組，若沒(méi)有指定，則線程缺省地隸屬于名為 system 的系統(tǒng)線程組。
在 Java 中，除了預(yù)建的系統(tǒng)線程組外，所有線程組都必須顯式創(chuàng)建。在 Java 中，除系統(tǒng)線程組外的每個(gè)線程組又隸屬于另一個(gè)線程組，你可以在創(chuàng)建線程組時(shí)指定其所隸屬的線程組，若沒(méi)有指定，則缺省地隸屬于系統(tǒng)線程組。這樣，所有線程組組成了一棵以系統(tǒng)線程組為根的樹。
Java 允許我們對(duì)一個(gè)線程組中的所有線程同時(shí)進(jìn)行操作，比如我們可以通過(guò)調(diào)用線程組的相應(yīng)方法來(lái)設(shè)置其中所有線程的優(yōu)先級(jí)，也可以啟動(dòng)或阻塞其中的所有線程。
　　Java 的線程組機(jī)制的另一個(gè)重要作用是線程安全。線程組機(jī)制允許我們通過(guò)分組來(lái)區(qū)分有不同安全特性的線程，對(duì)不同組的線程進(jìn)行不同的處理，還可以通過(guò)線程組的分層結(jié)構(gòu)來(lái)支持不對(duì)等安全措施的采用。Java 的 ThreadGroup 類提供了大量的方法來(lái)方便我們對(duì)線程組樹中的每一個(gè)線程組以及線程組中的每一個(gè)線程進(jìn)行操作。

多線程的核心在于多個(gè)代碼塊并發(fā)執(zhí)行，本質(zhì)特點(diǎn)在于各代碼塊之間的代碼是亂序執(zhí)行的。我們的程序是否需要多線程，就是要看這是否也是它的內(nèi)在特點(diǎn)。
假如我們的程序根本不要求多個(gè)代碼塊并發(fā)執(zhí)行，那自然不需要使用多線程；假如我們的程序雖然要求多個(gè)代碼塊并發(fā)執(zhí)行，但是卻不要求亂序，則我們完全可以用一個(gè)循環(huán)來(lái)簡(jiǎn)單高效地實(shí)現(xiàn)，也不需要使用多線程；只有當(dāng)它完全符合多線程的特點(diǎn)時(shí)，多線程機(jī)制對(duì)線程間通信和線程管理的強(qiáng)大支持才能有用武之地，這時(shí)使用多線程才是值得的。

感謝大家的閱讀，以上就是“怎么解析Java多線程程序設(shè)計(jì)”的全部?jī)?nèi)容了，學(xué)會(huì)的朋友趕緊操作起來(lái)吧。相信億速云小編一定會(huì)給大家?guī)?lái)更優(yōu)質(zhì)的文章。謝謝大家對(duì)億速云網(wǎng)站的支持！