详细讲解 —— 多线程初阶认识线程（Java EE初阶）

Posted 2022-07-04 IT技术博主-方兴未艾

认识线程

• 一、概念
• • • 什么是线程
    • 为什么要有线程
• 二、创建线程
• • • 方法一 继承 Thread 类
    • 方法二 实现 Runnable 接口
    • 方法三 匿名内部类创建 Thread 子类对象
    • 方法四 匿名内部类创建 Runnable 子类对象
    • 方法五 使用lambda 表达式
• 三、线程之间并发执行
• 四、多线程的优势-增加运行速度

一、概念

什么是线程

一个线程就是一个 “执行流”. 每个线程之间都可以按照顺讯执行自己的代码. 多个线程之间 “同时” 执行着多份代码.

为什么要有进程？
因为我们的系统支持多任务，这个就需要程序员来“并发编程”。（这里的并发编程是 并行 + 并发）。

为什么要有线程

多进程出现的问题
通过多进程，是完全可以实现并发编程的，但是有一点问题。
如果我们频繁的创建/销毁进程，这个事情的成本是比较高的。如果我们需要频繁的调度进程，这个事情成本也是比较高的。

创建进程就得分配资源：内存资源和文件资源。
销毁进程就得释放资源：内存资源和文件资源。
对于资源申请和释放，本身就是一个比较低效的操作。

如何解决这个问题
思路有两个：

1. 进程池（比如数据库连接池，字符串常量池）。
   进程池虽然能解决上述频繁创建和销毁的问题，但是进程池太消耗系统的资源了，因为在进程池里面有很多闲置的进程。
2. 使用线程来实现并发编程。
   线程比进程更轻量，每一个进程可以执行一个任务，每一个线程也能执行一个任务，他们都能实现并发编程。
   创建线程的成本比创建进程要低很多。
   销毁线程的成本比创建进程要低很多。
   调度线程的成本比创建进程要低很多。
   在Linux系统中，把 线程 称为 轻量级进程 （LWP）。

为什么线程比进程更轻量
进程的重量是重在资源的申请和释放上面。
线程是包含在进程中的，一个进程可以有多个线程，这多个线程公用同一份资源（同一份内存 + 文件），只是在创建进程的第一个线程的时候需要分配资源，之后进入这个进程的线程不需要再申请资源，这个时候创建线程的成本就会变低。

这个就会有一个疑问，多加一些线程，是不是效率就会进一步提升呢？
一般来说是会的，但是也不一定。
如果线程多了，这些线程就会要竞争同一个资源，这个时候，整体的速度就会收到限制（整体的硬件资源是有效的）。

线程和进程的区别和联系

1. 进程包含线程。一个进程可以有一个或者多个线程，多个线程公用同一份资源。
2. 进程和线程都是为了处理并发编程这样的场景。
   但是创建进程和销毁进程的效率低，而线程就比较的轻量，线程少了创建进程和销毁进程这个过程。
3. 操作系统创建进程，要给进程分配资源，进程是操作系统分配资源的最小单位。
   操作系统创建线程，是在CPU中执行调度，线程是CPU执行调度的基本单位。
4. 进程具有独立性，每一个进程都有各自独立的地址空间。一个进程挂了，不会影响其他的进程。
   但是在同一个进程中的多个线程，公用同一个内存空间。一个线程挂了，可能影响到其他的线程，甚至导致整个进程崩溃。

二、创建线程

Java中进行多线程编程，在Java标准库中，就提供了一个Thread类，用来操作线程。Thread类也可以视为是Java标准库提供的API。
创建好的Thread实例，其实和操作系统中的线程一一对应的关系。
操作系统提供了一组关于线程的API（C语言实现的），Java对这一组API进一步封装，就成为了Thread类。

方法一 继承 Thread 类

创建子类，继承Thread类，并重写run方法。

class MyThread extends Thread   //创建一个MyThread子类继承Thread类。
    @Override   //其中run方法中的内容描述了线程内部要执行的代码
    public void run()    //要注意的是，并不是写出这个代码，线程就创建出来了。这个是把要执行的代码准备好。
        System.out.println("hello thread!");
    


public class TestDome1 
    public static void main(String[] args) 
        Thread thread1 = new MyThread();   //创建MyThread子类的对象。
        thread1.start();   //当调用这里的start方法，才是真正的在系统中创建了线程。
                           //在这里才是真正的执行上面我们写的run方法中的代码。在调用start之前，系统没有创建出线程的。
    

方法二 实现 Runnable 接口

通过Runnable来描述任务的内容，进一步的再把描述好的任务交给Thread实例

class MyRunnable implements Runnable   //继承接口
    @Override
    public void run()    //实现接口中的方法
        System.out.println("Hello Runnable");
    


public class TestDome2 
    public static void main(String[] args) 
        // 创建 Thread 类实例, 调用 Thread 的构造方法时将 Runnable 对象作为 target 参数。
        Thread thread1 = new Thread(new MyRunnable());  
        thread1.start();   //创建线程，执行代吗
    

方法三 匿名内部类创建 Thread 子类对象

public class TestDome3 
    public static void main(String[] args) 
        Thread thread = new Thread()   //创建出这个匿名内部类的实例
            @Override   //创建了一个匿名内部类，继承自Thread类，重写了run方法，
            public void run() 
                System.out.println("Hello Thread!!");
            
        ;
        thread.start();   //开始执行线程
    

方法四 匿名内部类创建 Runnable 子类对象

public class TestDome4 
    public static void main(String[] args) 
        //new Runnable，是针对这个创建的内部类，同时Runnable实例传给Thread的构造方法
        Thread thread =  new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run()    //要执行的代码
                System.out.println("hello thread");
            
        );
        thread.start();   //创建线程，执行代码。
    

通常认为 匿名内部类创建 Runnable 子类对象 这中方法更好一点，能够做到让线程和线程执行的任务更好的解耦。（写代码一般希望，高内聚，低耦合）
Runnable单纯的只是描述了一个任务，至于这个任务是要通过一个进程来执行，还是线程来执行，还是协程来执行，Runnable本身不关心。

方法五 使用lambda 表达式

public class TestDome6 
    public static void main(String[] args) 
        Thread thread1 = new Thread(()->   //使用lambda表达式来代替了Runnable。
            System.out.println("hello thread1");
        );
        thread1.start();
    

上面的五种写法都很常见，希望大家都能够熟悉

三、线程之间并发执行

public class TestDome5 
    public static void main(String[] args) 
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable()    //使用匿名内部类创建 Runnable 子类对象
            @Override
            public void run() 
                while(true)   //如果一个循环中不加任何限制，这个循环转的速度是非常快的，我们一般看不过来
                   //我们就可以再循环中加一个sleep操作，来强制让这个线程休眠一段时间。
                    System.out.println("hello thread");
                    try    //这个是让线程强行进入堵塞状态，单位是ms
                        Thread.sleep(1000);   //1000ms表示1s中之内这个线程不会到CPU中执行。
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();   //抛出异常，线程被强制中断的异常。
                    
                
            
        );
        thread1.start();

        //在进程中至少有一个线程，在一个Java进程中，会有一个调用main方法的线程
        //这个线程不是人为调动的，是系统自带的。
        while(true)
            System.out.println("hello main");
            try 
                Thread.sleep(1000);   //休眠一秒，线程堵塞一秒
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
    

上面这个程序是：自己创建T线程和自动创建的main线程并发执行（在宏观上看起来同时执行）。

两个线程，都是打印一条就休眠1s，由代码运行结果图可知，当1s时间到了之后，系统先唤醒谁是不确定的（随机的）。
对于操作系统来说，内部对于线程之间的调度顺序，在宏观上可以认为是随机的（线程之间是抢占式执行），这个随机性会给多线程编程带来很多的麻烦。

四、多线程的优势-增加运行速度

可以观察多线程在一些场合下是可以提高程序的整体运行效率的。

public class TestDome7 
	//在写一个比较长的整数常量的时候就可以通过_来进行分隔
    private static final long COUNT = 10_0000_0000;   //定义一个常量COUNT=10_0000_0000

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
    	//使用串行
        serial();
        //使用并行
        concurrency();
    
	//实现两个数自增10亿次
    private static void serial() 
    	//System.currentTimeMillis()  Java自带的记录当前系统的时间戳。
        long begin = System.currentTimeMillis();
        long a = 0;
        for(long i=0; i<COUNT; i++)   //循环10亿次
            a++;
        
        long b = 0;
        for(long i=0; i<COUNT; i++)   //循环10亿次
            b++;
        
        long end = System.currentTimeMillis();   //记录系统时间
        System.out.println("串行: " + (end - begin) + "ms");
    

	//使用线程来实现两个数自增10亿次
    private static void concurrency() throws InterruptedException 
        long begin = System.currentTimeMillis();   //记录系统时间
        Thread thread1 = new Thread(()->   //第一个线程
            long a = 0;
            for(long i=0; i<COUNT; i++)
                a++;
            
        );
        thread1.start();   //使用start函数，才创建了线程
        Thread thread2 = new Thread(()->   //第二个线程
            long b = 0;
            for(long i=0; i<COUNT; i++)
                b++;
            
        );
        thread2.start();
		//在这里不能直接使用记录系统结束的时间。不要忘记了本身就有一个系统自带的mian线程
		//因为在这里是thread1，thread2，mian线程三个线程同时抢占式执行。
		//正确的应该是让main线程等待thread1和thread2线程结束，在记录结束时间
		//要使用join这个函数，这个函数就是要main函数等待线程结束。
        thread1.join();
        thread2.join();
        long end = System.currentTimeMillis();   //记录系统结束时间
        System.out.println("并行：" + (end - begin) + "ms");
    

从上面的代码运行结果图可以看出来。串行执行的时候，时间大概是1700多ms。两个线程并发执行，时间大概是1000多ms，提升了接近50%。
但是并不是说，一个线程2000多ms，两个线程就是1000多ms。
这个要根据底层到底是并行执行，还是并发执行，只有在并行执行的时候，效率才会显著提高，但是我们并不确定到底是并发，还是并行，而且还有创建线程的开销。所以并不会完完全全的提升了一半。