一、线程与进程

线程：进程中负责程序执行的执行单元
线程本身依靠程序进行运行
线程是程序中的顺序控制流，只能使用分配给程序的资源和环境
进程：执行中的程序
一个进程至少包含一个线程
单线程：程序中只存在一个线程，实际上主方法就是一个主线程
多线程：在一个程序中运行多个任务
目的是更好地使用CPU资源

二、线程的实现

1. 继承Thread类

在java.lang包中定义, 继承Thread类必须重写run()方法

class MyThread extends Thread{
    private static int num = 0;
     
    public MyThread(){
        num++;
    }
     
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("主动创建的第"+num+"个线程");
    }
}

创建好了自己的线程类之后，就可以创建线程对象了，然后通过start()方法去启动线程。注意，不是调用run()方法启动线程，run方法中只是定义需要执行的任务，如果调用run方法，即相当于在主线程中执行run方法，跟普通的方法调用没有任何区别，此时并不会创建一个新的线程来执行定义的任务。

public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}
class MyThread extends Thread{
    private static int num = 0;
    public MyThread(){
        num++;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("主动创建的第"+num+"个线程");
    }
}

新线程创建的过程不会阻塞主线程的后续执行。

2. 实现Runnable接口

在Java中创建线程除了继承Thread类之外，还可以通过实现Runnable接口来实现类似的功能。实现Runnable接口必须重写其run方法。

public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        System.out.println("主线程ID："+Thread.currentThread().getId());
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();
    }
} 
class MyRunnable implements Runnable{
    public MyRunnable() {
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("子线程ID："+Thread.currentThread().getId());
    }
}

Runnable的中文意思是“任务”，顾名思义，通过实现Runnable接口，我们定义了一个子任务，然后将子任务交由Thread去执行。注意，这种方式必须将Runnable作为Thread类的参数，然后通过Thread的start方法来创建一个新线程来执行该子任务。如果调用Runnable的run方法的话，是不会创建新线程的，这根普通的方法调用没有任何区别。
事实上，查看Thread类的实现源代码会发现Thread类是实现了Runnable接口的。
在Java中，这2种方式都可以用来创建线程去执行子任务，具体选择哪一种方式要看自己的需求。直接继承Thread类的话，可能比实现Runnable接口看起来更加简洁，但是由于Java只允许单继承，所以如果自定义类需要继承其他类，则只能选择实现Runnable接口。

3. 使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程

ExecutorService、Callable、Future这个对象实际上都是属于Executor框架中的功能类。想要详细了解Executor框架的可以访问http://www.javaeye.com/topic/366591 ，这里面对该框架做了很详细的解释。返回结果的线程是在JDK1.5中引入的新特征，确实很实用
可返回值的任务必须实现Callable接口，类似的，无返回值的任务必须Runnable接口。执行Callable任务后，可以获取一个Future的对象，在该对象上调用get就可以获取到Callable任务返回的Object了，再结合线程池接口ExecutorService就可以实现传说中有返回结果的多线程了。

/**
* 有返回值的线程 
*/  
@SuppressWarnings("unchecked")  
public class Test {  
public static void main(String[] args) throws ExecutionException,  
    InterruptedException {  
   System.out.println("----程序开始运行----");  
   Date date1 = new Date();  
  
   int taskSize = 5;  
   // 创建一个线程池  
   ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(taskSize);  
   // 创建多个有返回值的任务  
   List<Future> list = new ArrayList<Future>();  
   for (int i = 0; i < taskSize; i++) {  
    Callable c = new MyCallable(i + " ");  
    // 执行任务并获取Future对象  
    Future f = pool.submit(c);  
    // System.out.println(">>>" + f.get().toString());  
    list.add(f);  
   }  
   // 关闭线程池  
   pool.shutdown();  
  
   // 获取所有并发任务的运行结果  
   for (Future f : list) {  
    // 从Future对象上获取任务的返回值，并输出到控制台  
    System.out.println(">>>" + f.get().toString());  
   }  
  
   Date date2 = new Date();  
   System.out.println("----程序结束运行----，程序运行时间【"  
     + (date2.getTime() - date1.getTime()) + "毫秒】");  
}  
}  
  
class MyCallable implements Callable<Object> {  
private String taskNum;  
  
MyCallable(String taskNum) {  
   this.taskNum = taskNum;  
}  
  
public Object call() throws Exception {  
   System.out.println(">>>" + taskNum + "任务启动");  
   Date dateTmp1 = new Date();  
   Thread.sleep(1000);  
   Date dateTmp2 = new Date();  
   long time = dateTmp2.getTime() - dateTmp1.getTime();  
   System.out.println(">>>" + taskNum + "任务终止");  
   return taskNum + "任务返回运行结果,当前任务时间【" + time + "毫秒】";  
}
}

代码说明：
上述代码中Executors类，提供了一系列工厂方法用于创先线程池，返回的线程池都实现了ExecutorService接口。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
创建固定数目线程的线程池。

public static ExecutorService newCachedThreadPool()
创建一个可缓存的线程池，调用execute 将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
创建一个单线程化的Executor。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
创建一个支持定时及周期性的任务执行的线程池，多数情况下可用来替代Timer类。

ExecutoreService提供了submit()方法，传递一个Callable，或Runnable，返回Future。如果Executor后台线程池还没有完成Callable的计算，这调用返回Future对象的get()方法，会阻塞直到计算完成。

三、线程的状态

创建（new）状态: 准备好了一个多线程的对象
就绪（runnable）状态: 调用了start()方法, 等待CPU进行调度
运行（running）状态: 执行run()方法
阻塞（blocked）状态: 暂时停止执行, 可能将资源交给其它线程使用
终止（dead）状态: 线程销毁
当需要新起一个线程来执行某个子任务时，就创建了一个线程。但是线程创建之后，不会立即进入就绪状态，因为线程的运行需要一些条件（比如内存资源。程序计数器、Java栈、本地方法栈都是线程私有的，所以需要为线程分配一定的内存空间），只有线程运行需要的所有条件满足了，才进入就绪状态。
当线程进入就绪状态后，不代表立刻就能获取CPU执行时间，也许此时CPU正在执行其他的事情，因此它要等待。当得到CPU执行时间之后，线程便真正进入运行状态。
线程在运行状态过程中，可能有多个原因导致当前线程不继续运行下去，比如用户主动让线程睡眠（睡眠一定的时间之后再重新执行）、用户主动让线程等待，或者被同步块给阻塞，此时就对应着多个状态：time waiting（睡眠或等待一定的事件）、waiting（等待被唤醒）、blocked（阻塞）。
当由于突然中断或者子任务执行完毕，线程就会被消亡。

image.png

注:sleep和wait的区别:
sleep是Thread类的方法,wait是Object类中定义的方法.
Thread.sleep不会导致锁行为的改变, 如果当前线程是拥有锁的, 那么Thread.sleep不会让线程释放锁.
Thread.sleep和Object.wait都会暂停当前的线程. OS会将执行时间分配给其它线程. 区别是, 调用wait后, 需要别的线程执行notify/notifyAll才能够重新获得CPU执行时间.

wait()：使一个线程处于等待（阻塞）状态，并且释放所持有的对象的锁；
sleep()：使一个正在运行的线程处于睡眠状态，是一个静态方法，调用此方法要处理InterruptedException异常；
notify()：唤醒一个处于等待状态的线程，当然在调用此方法的时候，并不能确切的唤醒某一个等待状态的线程，而是由JVM确定唤醒哪个线程，而且与优先级无关；
notityAll()：唤醒所有处于等待状态的线程，该方法并不是将对象的锁给所有线程，而是让它们竞争，只有获得锁的线程才能进入就绪状态；

四、上下文切换

对于单核CPU来说（对于多核CPU，此处就理解为一个核），CPU在一个时刻只能运行一个线程，当在运行一个线程的过程中转去运行另外一个线程，这个叫做线程上下文切换（对于进程也是类似）。

由于可能当前线程的任务并没有执行完毕，所以在切换时需要保存线程的运行状态，以便下次重新切换回来时能够继续切换之前的状态运行。举个简单的例子：比如一个线程A正在读取一个文件的内容，正读到文件的一半，此时需要暂停线程A，转去执行线程B，当再次切换回来执行线程A的时候，我们不希望线程A又从文件的开头来读取。

因此需要记录线程A的运行状态，那么会记录哪些数据呢？因为下次恢复时需要知道在这之前当前线程已经执行到哪条指令了，所以需要记录程序计数器的值，另外比如说线程正在进行某个计算的时候被挂起了，那么下次继续执行的时候需要知道之前挂起时变量的值时多少，因此需要记录CPU寄存器的状态。所以一般来说，线程上下文切换过程中会记录程序计数器、CPU寄存器状态等数据。

说简单点的：对于线程的上下文切换实际上就是存储和恢复CPU状态的过程，它使得线程执行能够从中断点恢复执行。

虽然多线程可以使得任务执行的效率得到提升，但是由于在线程切换时同样会带来一定的开销代价，并且多个线程会导致系统资源占用的增加，所以在进行多线程编程时要注意这些因素。

五、线程的常用方法

1. 静态方法

currentThread()
currentThread()方法可以返回代码段正在被哪个线程调用的信息。

public class Run1{
    public static void main(String[] args){                 
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

sleep()
方法sleep()的作用是在指定的毫秒数内让当前“正在执行的线程”休眠（暂停执行）。这个“正在执行的线程”是指this.currentThread()返回的线程。
sleep方法有两个重载版本：

sleep(long millis)     //参数为毫秒
sleep(long millis,int nanoseconds)    //第一参数为毫秒，第二个参数为纳秒

sleep相当于让线程睡眠，交出CPU，让CPU去执行其他的任务。
但是有一点要非常注意，sleep方法不会释放锁，也就是说如果当前线程持有对某个对象的锁，则即使调用sleep方法，其他线程也无法访问这个对象。

public class Test {
     
    private int i = 10;
    private Object object = new Object();
     
    public static void main(String[] args) throws IOException  {
        Test test = new Test();
        MyThread thread1 = test.new MyThread();
        MyThread thread2 = test.new MyThread();
        thread1.start();
        thread2.start();
    } 
     
     
    class MyThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                i++;
                System.out.println("i:"+i);
                try {
                    System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"进入睡眠状态");
                    Thread.currentThread().sleep(10000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO: handle exception
                }
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"睡眠结束");
                i++;
                System.out.println("i:"+i);
            }
        }
    }
}

image.png

从上面输出结果可以看出，当Thread-0进入睡眠状态之后，Thread-1并没有去执行具体的任务。只有当Thread-0执行完之后，此时Thread-0释放了对象锁，Thread-1才开始执行。
注意，如果调用了sleep方法，必须捕获InterruptedException异常或者将该异常向上层抛出。当线程睡眠时间满后，不一定会立即得到执行，因为此时可能CPU正在执行其他的任务。所以说调用sleep方法相当于让线程进入阻塞状态。

yield()
调用yield方法会让当前线程交出CPU权限，让CPU去执行其他的线程。它跟sleep方法类似，同样不会释放锁。但是yield不能控制具体的交出CPU的时间，另外，yield方法只能让拥有相同优先级的线程有获取CPU执行时间的机会。
注意，调用yield方法并不会让线程进入阻塞状态，而是让线程重回就绪状态，它只需要等待重新获取CPU执行时间，这一点是和sleep方法不一样的。

public class MyThread  extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        long beginTime=System.currentTimeMillis();
        int count=0;
        for (int i=0;i<50000000;i++){
            count=count+(i+1);
            //Thread.yield();
        }
        long endTime=System.currentTimeMillis();
        System.out.println("用时："+(endTime-beginTime)+" 毫秒！");
    }
}

public class Run {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t= new MyThread();
        t.start();
    }
}

执行结果：

用时：3 毫秒！

如果将 //Thread.yield();的注释去掉，执行结果如下：

用时：16080 毫秒！

2. 对象方法

start()方法
start()用来启动一个线程，当调用start方法后，系统才会开启一个新的线程来执行用户定义的子任务，在这个过程中，会为相应的线程分配需要的资源。
run()方法
run()方法是不需要用户来调用的，当通过start方法启动一个线程之后，当线程获得了CPU执行时间，便进入run方法体去执行具体的任务。注意，继承Thread类必须重写run方法，在run方法中定义具体要执行的任务。
getId()
getId()的作用是取得线程的唯一标识
sAlive()方法
方法isAlive()的功能是判断当前线程是否处于活动状态
方法isAlive()的作用是测试线程是否偶处于活动状态。什么是活动状态呢？活动状态就是线程已经启动且尚未终止。线程处于正在运行或准备开始运行的状态，就认为线程是“存活”的。
join()方法
在很多情况下，主线程创建并启动了线程，如果子线程中要进行大量耗时运算，主线程往往将早于子线程结束之前结束。这时，如果主线程想等待子线程执行完成之后再结束，比如子线程处理一个数据，主线程要取得这个数据中的值，就要用到join()方法了。方法join()的作用是等待线程对象销毁。

public class Thread4 extends Thread{
    public Thread4(String name) {
        super(name);
    }
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(getName() + "  " + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 启动子进程
        new Thread4("new thread").start();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (i == 5) {
                Thread4 th = new Thread4("joined thread");
                th.start();
                th.join();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  " + i);
        }
    }
}

main  0
main  1
main  2
main  3
main  4
new thread  0
new thread  1
new thread  2
new thread  3
new thread  4
joined thread  0
joined thread  1
joined thread  2
joined thread  3
joined thread  4
main  5
main  6
main  7
main  8
main  9

由上可以看出main主线程等待joined thread线程先执行完了才结束的。如果把th.join()这行注释掉，运行结果如下：

main  0
main  1
main  2
main  3
main  4
main  5
main  6
main  7
main  8
main  9
new thread  0
new thread  1
new thread  2
new thread  3
new thread  4
joined thread  0
joined thread  1
joined thread  2
joined thread  3
joined thread  4

getName和setName
用来得到或者设置线程名称。
getPriority和setPriority
用来获取和设置线程优先级。
setDaemon和isDaemon
用来设置线程是否成为守护线程和判断线程是否是守护线程。

守护线程和用户线程的区别在于：守护线程依赖于创建它的线程，而用户线程则不依赖。举个简单的例子：如果在main线程中创建了一个守护线程，当main方法运行完毕之后，守护线程也会随着消亡。而用户线程则不会，用户线程会一直运行直到其运行完毕。在JVM中，像垃圾收集器线程就是守护线程。

3. 停止线程

停止一个线程可以使用Thread.stop()方法，但最好不用它。该方法是不安全的，已被弃用。
在Java中有以下3种方法可以终止正在运行的线程：

使用退出标志，使线程正常退出，也就是当run方法完成后线程终止
使用stop方法强行终止线程，但是不推荐使用这个方法，因为stop和suspend及resume一样，都- 是作废过期的方法，使用他们可能产生不可预料的结果。
使用interrupt方法中断线程，但这个不会终止一个正在运行的线程，还需要加入一个判断才可以完成线程的停止。

4. 暂停线程

interrupt()方法

5. 线程的优先级

优先级较高的线程得到的CPU资源较多，也就是CPU优先执行优先级较高的线程对象中的任务。
设置线程优先级有助于帮“线程规划器”确定在下一次选择哪一个线程来优先执行。
设置线程的优先级使用setPriority()方法
线程的优先级分为1~10这10个等级
JDK中使用3个常量来预置定义优先级的值，代码如下：

public final static int MIN_PRIORITY = 1;
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
public final static int MAX_PRIORITY = 10;

线程优先级特性：

继承性
比如A线程启动B线程，则B线程的优先级与A是一样的。
规则性
高优先级的线程总是大部分先执行完，但不代表高优先级线程全部先执行完。
随机性
优先级较高的线程不一定每一次都先执行完。

6. 守护线程

在Java线程中有两种线程，一种是User Thread（用户线程），另一种是Daemon Thread(守护线程)。
Daemon的作用是为其他线程的运行提供服务，比如说GC线程。其实User Thread线程和Daemon Thread守护线程本质上来说去没啥区别的，唯一的区别之处就在虚拟机的离开：如果User Thread全部撤离，那么Daemon Thread也就没啥线程好服务的了，所以虚拟机也就退出了。
守护线程并非虚拟机内部可以提供，用户也可以自行的设定守护线程，方法：public final void setDaemon(boolean on) ；但是有几点需要注意：
thread.setDaemon(true)必须在thread.start()之前设置，否则会抛出一个IllegalThreadStateException异常。你不能把正在运行的常规线程设置为守护线程。（备注：这点与守护进程有着明显的区别，守护进程是创建后，让进程摆脱原会话的控制+让进程摆脱原进程组的控制+让进程摆脱原控制终端的控制；所以说寄托于虚拟机的语言机制跟系统级语言有着本质上面的区别）
在Daemon线程中产生的新线程也是Daemon的。（这一点又是有着本质的区别了：守护进程fork()出来的子进程不再是守护进程，尽管它把父进程的进程相关信息复制过去了，但是子进程的进程的父进程不是init进程，所谓的守护进程本质上说就是“父进程挂掉，init收养，然后文件0,1,2都是/dev/null，当前目录到/”）
不是所有的应用都可以分配给Daemon线程来进行服务，比如读写操作或者计算逻辑。因为在Daemon Thread还没来的及进行操作时，虚拟机可能已经退出了。

多线程基础（一）