Java开发笔记（九十六）线程的基本用法

迈不过友情╰ 2022-02-03 04:19 314阅读 0赞

每启动一个程序，操作系统的内存中通常会驻留该程序的一个进程，进程包含了程序的完整代码逻辑。一旦程序退出，进程也就随之结束；反之，一旦强行结束进程，程序也会跟着退出。普通的程序代码是从上往下执行的，遇到分支语句则进入满足条件的分支，遇到循环语句总有跳出循环的时候，遇到方法调用则调用完毕仍然返回原处，之后继续执行控制语句或者方法调用下面的代码。总之一件事情接着一件事情处理，前一件事情处理完了才能处理后一件事情，这种运行方式被称作“串行处理”。串行处理的代码结构清晰，但同一时刻只能执行某段代码，也就是说，只要一个CPU就足够应付了。但现在不管电脑还是手机，中央处理器都是多核CPU，一个设备上集成了四个或更多的CPU，而串行处理的程序自始至终都只用一个CPU，显然无法发挥多核CPU的性能优势。既然串行存在效率问题，就需要另一种允许同时执行多项任务的处理方式，该方式被称作“并行处理”。所谓并行处理，指的是程序在同一时刻进行不止一个事务的处理，比如看网络视频时一边下载一边播放，这样就能提高程序的运行效率。  
并行处理的思想体现到程序调度上面，又有多进程与多线程两种方式，多进程仿佛孙悟空拔毫毛变出许多小孙悟空，每只小孙悟空都四肢齐全、有鼻子有眼睛，完全是孙悟空的克隆版本，而且可以单独上阵打斗。至于线程则为进程中的一条控制流，它是操作系统能够调度的最小执行单元，线程犹如人的手，吃饭穿衣都靠它。多线程仿佛哪吒变出三头六臂，每只手臂都拿着一把兵器，战斗力顿时倍增。不过变出来的手臂依附于哪吒本人，要是哪吒挂了，再多的手臂也只能拜拜，当然只要进程还在运行，多些线程绝对有助于加快程序的办事速度。况且一个线程占用的系统资源远小于一个进程，想想看，三个孙悟空有六只手臂同时占据了三个人的空间，而三头六臂的哪吒也有六只手臂但只占据一个人的空间，很明显多线程的性价比要优于多进程。  
一个进程默认自带一个线程，这个默认线程被称作主线程，要想在主线程之外另外开辟新线程，就用到了Java的Thread线程类。Thread类封装了线程的生命周期及其调度操作，程序员只需由Thread类派生出新的线程类，并重写run方法添加具体的业务逻辑即可。下面便是一个计数器线程的代码例子，功能很简单，仅仅循环打印0-999的计数日志：

// 定义一个计数器线程
    private static class CountThread extends Thread {
    	@Override
    	public void run() {
    		for (int i=0; i<1000; i++) { // 一千次计数，并打印每次计数的日志
    			// getName方法获取当前线程的名称，getId方法获取当前线程的编号
    			PrintUtils.print(getName(), "当前计数值为"+i);
    		}
    	}
    }

上面代码在打印日志时调用了自己写的print方法，该方法主要打印当前时间、当前线程名称、具体事件描述等信息，为节约代码篇幅，往后的线程内部日志都通过print方法来打印，以下是该方法的实现代码：

//定义了线程专用的日志打印工具
    public class PrintUtils {
    	// 打印线程的运行日志，包括当前时间、当前线程名称、具体事件描述等信息
    	public static void print(String threadName, String event) {
    		SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss.SSS");
    		String dateTime = sdf.format(new Date());
    		String desc = String.format("%s %s %s", dateTime, threadName, event);
    		System.out.println(desc);
    	}
    }

定义好了计数器线程，轮到外部启动它倒也容易，先创建一个计数器线程的对象，再调用该对象的start方法，接着计数器线程便会自动执行run方法的内部代码。外部启动计数器线程的调用代码示例如下：

CountThread thread = new CountThread(); // 创建一个计数器线程
    thread.start(); // 开始线程运行

运行上述的调用代码，观察到如下的线程运行日志，可见一个名叫Thread-0的分线程正常跑起来了：

17:36:01.049 Thread-0 当前计数值为0
    17:36:01.051 Thread-0 当前计数值为1
    17:36:01.051 Thread-0 当前计数值为2
    17:36:01.051 Thread-0 当前计数值为3
    ………………………这里省略余下的日志……………………

除了start方法，Thread类还提供了其它一些有用的方法。倘若程序先后启动两个线程，那么通常来说，先启动的线程比后启动的线程要跑得快些。可是有时候业务上又需要后启动的线程跑得更快，此时可调用指定线程的join方法，该方法字面上的意思是“加入”，实际作用却是“插队”。凡是调用了join方法的线程，它们的内部代码相较其它线程会优先处理，由于不同线程之间是并行展开着的，因此优先的意思并非一定会插到前面，而是尽量安排先执行，最终的执行顺序还得由操作系统来决定。下面是演示线程插队功能的代码例子：

// 测试线程的插队操作
    private static void testJoin() {
    	 // 创建第一个计数器线程
    	CountThread thread1 = new CountThread();
    	thread1.start(); // 第一个线程开始运行
    	 // 创建第二个计数器线程
    	CountThread thread2 = new CountThread();
    	thread2.start(); // 第二个线程开始运行
    	try {
    		thread2.join(); // 第二个线程说：“我很着急，我要插队”
    	} catch (InterruptedException e1) { // 插队行为可能会被中断，需要捕获中断异常
    		e1.printStackTrace();
    	}
    }

只有两个分线程的话，尚能通过join方法区分插队的线程与普通线程；要是分线程多于两个，好几个线程都调用join方法，都提出本线程想插队，操作系统又该如何伺候这些猴急的线程们？就算是插队，也得有个插队顺序吧，不是谁嗓门大谁就能排到前面的，所以还需定义一个规矩来区分插队动作的轻重缓急。于是Thread类又提供了优先级设置方法setPriority，调用该方法即可指定每个线程的优先级大小，数值越大的表示它拥有越高的优先级，就越应该安排到前面执行。如此一来，通过优先级数值的大小，能够有效辨别各个线程的排队顺序，再也不必烦恼要到哪里插队了。给多个线程分别设置优先级的代码示例如下：

// 测试线程的优先级顺序
    private static void testPriority() {
    	 // 创建第一个计数器线程
    	CountThread thread1 = new CountThread();
    	thread1.setPriority(1); // 第一个线程的优先级为1
    	thread1.start(); // 第一个线程开始运行
    	 // 创建第二个计数器线程
    	CountThread thread2 = new CountThread();
    	thread2.setPriority(9); // 第二个线程的优先级为9，值越大优先级越高
    	thread2.start(); // 第二个线程开始运行
    }

正常情况下，分线程的内部代码执行完毕后，该线程会自动退出运行。但有时需要提前结束线程，或者先暂停线程，等到时机成熟再恢复线程，Thread类也确实提供了相关的处理方法，例如stop方法用于停止线程运行，suspend方法用于暂停线程运行，resume方法用于恢复线程运行。然而Java同时注明了这三个方法都已经过时，为啥？缘由在于它们仨是不安全的，当一个线程正在欢快运行的时候，突然外部咔嚓一下，不由分说把它干翻，这本身就是很危险的举动，因为谁也无法预料此时线程在做什么、线程意外终止会产生什么后果等等。比如某个线程正在写文件，现在不管三七二十一干掉该线程，结果很可能造成文件损坏。故而由外部强行干预线程的运行实在不是一个好点子，理想的做法是：外部给分线程发个纸条，表示你被炒鱿鱼了，咱通情达理也没立刻赶你走，你收拾收拾差不多了再走也不迟。  
这样的话，很自然想到在线程内部增加一个标志位，分线程每隔一阵子便检查该标志，一旦发现标志位发生改变，就自动择机退出运行。据此可以重新编写包含标志位的计数器线程，并在run方法中不时地检查该标志，新线程的定义代码示例如下：

// 定义一个主动检查运行标志的线程
    private static class ActiveCheckThread extends Thread {
    	private boolean canRun = true; // 能否运行的标志
    	// 设置当前线程能否继续运行的标志
    	public void setCanRun(boolean canRun) {
    		this.canRun = canRun;
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		for (int i=0; i<1000; i++) {
    			PrintUtils.print(getName(), "当前计数值为"+i);
    			if (!canRun) { // 如果不允许运行，就打印停止运行的日志，并跳出线程的循环处理
    				PrintUtils.print(getName(), "主动停止运行");
    				break;
    			}
    		}
    	}
    }

上述的线程代码提供了setCanRun方法给外部调用，通过该方法即可设置当前线程能否继续运行的标志。外部在启动ActiveCheckThread线程之后，再调用setCanRun方法，就实现了给分线程递纸条的功能。下面是ActiveCheckThread线程的调用代码例子：

// 线程自己主动检查是否要停止运行
    private static void testActiveCheck() {
    	 // 创建一个会自行检查运行标志的线程
    	ActiveCheckThread thread = new ActiveCheckThread();
    	thread.start(); // 开始线程运行
    	try {
    		Thread.sleep(50); // 睡眠50毫秒
    	} catch (InterruptedException e) { // 睡眠可能会被打断，需要捕获中断异常
    		e.printStackTrace();
    	}
    	thread.setCanRun(false); // 告知该线程不要再跑了，请择机退出
    }

运行上面的测试代码，观察到以下的线程日志，可见分线程按照标志位提前停止运行了。

………………………这里省略前面的日志……………………
    16:38:18.457 Thread-0 当前计数值为14
    16:38:18.457 Thread-0 当前计数值为15
    16:38:18.457 Thread-0 当前计数值为16
    16:38:18.458 Thread-0 主动停止运行

设置标志位的办法固然可行，但不是很好用，原因有二：其一，分线程要很积极主动的去检查标志位，可是人算不如天算，标志位的检查代码毕竟不能塞得到处都是，那么在遗忘的角落就没法响应外部的信号了；其二，设置标志位是个新增的方法，那么每个线程类的标志设置方法都不尽相同，外部又怎知甲乙丙丁各自提供了哪些设置方法呢？好在Thread类另外提供了线程中断机制，分线程倒也不必新增能否运行的标志，原来的代码结构可以保持不变。在中断机制里，凡是属于正常的业务逻辑，外部概不横加干涉，只有在耗时较久的场合，例如睡眠、等待之类的情况，才可能会收到中断信号，也就是中断异常InterruptedException。于是分线程只管捕捉中断异常，若无异常则照常运行；若有异常则进入中断分支，对相关事宜妥善处理一下，即可退出线程运行。  
据此改造先前的计数器线程，在每次计数之后增加调用sleep方法，且睡眠期间允许接收中断信号，另外补充异常处理的try/catch语句，并在异常分支进行善后工作。改造后的计数器线程PassiveInterruptThread代码示例如下：

// 定义一个被动接受中断信号的线程
    private static class PassiveInterruptThread extends Thread {
    	@Override
    	public void run() {
    		try {
    			for (int i=0; i<1000; i++) {
    				PrintUtils.print(getName(), "当前计数值为"+i);
    				Thread.sleep(10); // 睡眠10毫秒，睡眠期间允许接收中断信号
    			}
    		} catch (InterruptedException e) { // 收到了异常中断的信号，打印中断日志并退出线程运行
    			PrintUtils.print(getName(), "被中断运行了");
    		}
    	}
    }

接下来外部启动计数线程之后，调用interrupt方法往分线程发送中断信号，注意这个interrupt方法为Thread类的自有方法，每个线程都适用。下面是PassiveInterruptThread线程的调用代码例子：

// 线程被动接收外部的中断信号
    private static void testPassiveInterrupt() {
    	 // 创建一个会接收外部中断信号的线程
    	PassiveInterruptThread thread = new PassiveInterruptThread();
    	thread.start(); // 开始线程运行
    	try {
    		Thread.sleep(50); // 睡眠50毫秒
    	} catch (InterruptedException e) {
    		e.printStackTrace();
    	}
    	thread.interrupt(); // 不管你正在干什么，先停下来再说
    }

运行上面的线程调用代码，观察到如下的线程日志，可见分线程的确收到了外部的中断信号：

………………………这里省略前面的日志……………………
    17:04:33.284 Thread-0 当前计数值为3
    17:04:33.294 Thread-0 当前计数值为4
    17:04:33.304 Thread-0 当前计数值为5
    17:04:33.305 Thread-0 被中断运行了

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