Java開發筆記（九十六）線程的基本用法

每啓動一個程序，操做系統的內存中一般會駐留該程序的一個進程，進程包含了程序的完整代碼邏輯。一旦程序退出，進程也就隨之結束；反之，一旦強行結束進程，程序也會跟着退出。普通的程序代碼是從上往下執行的，遇到分支語句則進入知足條件的分支，遇到循環語句總有跳出循環的時候，遇到方法調用則調用完畢仍然返回原處，以後繼續執行控制語句或者方法調用下面的代碼。總之一件事情接着一件事情處理，前一件事情處理完了才能處理後一件事情，這種運行方式被稱做「串行處理」。串行處理的代碼結構清晰，但同一時刻只能執行某段代碼，也就是說，只要一個CPU就足夠應付了。但如今無論電腦仍是手機，中央處理器都是多核CPU，一個設備上集成了四個或更多的CPU，而串行處理的程序自始至終都只用一個CPU，顯然沒法發揮多核CPU的性能優點。既然串行存在效率問題，就須要另外一種容許同時執行多項任務的處理方式，該方式被稱做「並行處理」。所謂並行處理，指的是程序在同一時刻進行不止一個事務的處理，好比看網絡視頻時一邊下載一邊播放，這樣就能提升程序的運行效率。
並行處理的思想體現到程序調度上面，又有多進程與多線程兩種方式，多進程彷彿孫悟空拔毫毛變出許多小孫悟空，每隻小孫悟空都四肢齊全、有鼻子有眼睛，徹底是孫悟空的克隆版本，並且能夠單獨上陣打鬥。至於線程則爲進程中的一條控制流，它是操做系統可以調度的最小執行單元，線程猶如人的手，吃飯穿衣都靠它。多線程彷彿哪吒變出三頭六臂，每隻手臂都拿着一把兵器，戰鬥力頓時倍增。不過變出來的手臂依附於哪吒本人，要是哪吒掛了，再多的手臂也只能拜拜，固然只要進程還在運行，多些線程絕對有助於加快程序的辦事速度。何況一個線程佔用的系統資源遠小於一個進程，想一想看，三個孫悟空有六隻手臂同時佔據了三我的的空間，而三頭六臂的哪吒也有六隻手臂但只佔據一我的的空間，很明顯多線程的性價比要優於多進程。
一個進程默認自帶一個線程，這個默認線程被稱做主線程，要想在主線程以外另外開闢新線程，就用到了Java的Thread線程類。Thread類封裝了線程的生命週期及其調度操做，程序員只需由Thread類派生出新的線程類，並重寫run方法添加具體的業務邏輯便可。下面即是一個計數器線程的代碼例子，功能很簡單，僅僅循環打印0-999的計很多天志：

	// 定義一個計數器線程
	private static class CountThread extends Thread {
		@Override
		public void run() {
			for (int i=0; i<1000; i++) { // 一千次計數，並打印每次計數的日誌
				// getName方法獲取當前線程的名稱，getId方法獲取當前線程的編號
				PrintUtils.print(getName(), "當前計數值爲"+i);
			}
		}
	}

 

上面代碼在打印日誌時調用了本身寫的print方法，該方法主要打印當前時間、當前線程名稱、具體事件描述等信息，爲節約代碼篇幅，日後的線程內部日誌都經過print方法來打印，如下是該方法的實現代碼：

//定義了線程專用的日誌打印工具
public class PrintUtils {
	// 打印線程的運行日誌，包括當前時間、當前線程名稱、具體事件描述等信息
	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);
	}
}

 

定義好了計數器線程，輪到外部啓動它倒也容易，先建立一個計數器線程的對象，再調用該對象的start方法，接着計數器線程便會自動執行run方法的內部代碼。外部啓動計數器線程的調用代碼示例以下：

		CountThread thread = new CountThread(); // 建立一個計數器線程
		thread.start(); // 開始線程運行

 

運行上述的調用代碼，觀察到以下的線程運行日誌，可見一個名叫Thread-0的分線程正常跑起來了：

17:36:01.049 Thread-0 當前計數值爲0
17:36:01.051 Thread-0 當前計數值爲1
17:36:01.051 Thread-0 當前計數值爲2
17:36:01.051 Thread-0 當前計數值爲3
………………………這裏省略餘下的日誌……………………

除了start方法，Thread類還提供了其它一些有用的方法。假若程序前後啓動兩個線程，那麼一般來講，先啓動的線程比後啓動的線程要跑得快些。但是有時候業務上又須要後啓動的線程跑得更快，此時可調用指定線程的join方法，該方法字面上的意思是「加入」，實際做用倒是「插隊」。凡是調用了join方法的線程，它們的內部代碼相較其它線程會優先處理，因爲不一樣線程之間是並行展開着的，所以優先的意思並不是必定會插到前面，而是儘可能安排先執行，最終的執行順序還得由操做系統來決定。下面是演示線程插隊功能的代碼例子：

	// 測試線程的插隊操做
	private static void testJoin() {
		 // 建立第一個計數器線程
		CountThread thread1 = new CountThread();
		thread1.start(); // 第一個線程開始運行
		 // 建立第二個計數器線程
		CountThread thread2 = new CountThread();
		thread2.start(); // 第二個線程開始運行
		try {
			thread2.join(); // 第二個線程說：「我很着急，我要插隊」
		} catch (InterruptedException e1) { // 插隊行爲可能會被中斷，須要捕獲中斷異常
			e1.printStackTrace();
		}
	}

 

只有兩個分線程的話，尚能經過join方法區分插隊的線程與普通線程；要是分線程多於兩個，好幾個線程都調用join方法，都提出本線程想插隊，操做系統又該如何伺候這些猴急的線程們？就算是插隊，也得有個插隊順序吧，不是誰嗓門大誰就能排到前面的，因此還需定義一個規矩來區分插隊動做的輕重緩急。因而Thread類又提供了優先級設置方法setPriority，調用該方法便可指定每一個線程的優先級大小，數值越大的表示它擁有越高的優先級，就越應該安排到前面執行。如此一來，經過優先級數值的大小，可以有效辨別各個線程的排隊順序，不再必煩惱要到哪裏插隊了。給多個線程分別設置優先級的代碼示例以下：

	// 測試線程的優先級順序
	private static void testPriority() {
		 // 建立第一個計數器線程
		CountThread thread1 = new CountThread();
		thread1.setPriority(1); // 第一個線程的優先級爲1
		thread1.start(); // 第一個線程開始運行
		 // 建立第二個計數器線程
		CountThread thread2 = new CountThread();
		thread2.setPriority(9); // 第二個線程的優先級爲9，值越大優先級越高
		thread2.start(); // 第二個線程開始運行
	}

正常狀況下，分線程的內部代碼執行完畢後，該線程會自動退出運行。但有時須要提早結束線程，或者先暫停線程，等到時機成熟再恢復線程，Thread類也確實提供了相關的處理方法，例如stop方法用於中止線程運行，suspend方法用於暫停線程運行，resume方法用於恢復線程運行。然而Java同時註明了這三個方法都已通過時，爲啥？原因在於它們仨是不安全的，當一個線程正在歡快運行的時候，忽然外部咔嚓一下，不禁分說把它幹翻，這自己就是很危險的舉動，由於誰也沒法預料此時線程在作什麼、線程意外終止會產生什麼後果等等。好比某個線程正在寫文件，如今無論三七二十一干掉該線程，結果極可能形成文件損壞。故而由外部強行干預線程的運行實在不是一個好點子，理想的作法是：外部給分線程發個紙條，表示你被炒魷魚了，咱通情達理也沒馬上趕你走，你收拾收拾差很少了再走也不遲。

這樣的話，很天然想到在線程內部增長一個標誌位，分線程每隔一陣子便檢查該標誌，一旦發現標誌位發生改變，就自動擇機退出運行。據此能夠從新編寫包含標誌位的計數器線程，並在run方法中不時地檢查該標誌，新線程的定義代碼示例以下：

	// 定義一個主動檢查運行標誌的線程
	private static class ActiveCheckThread extends Thread {
		private boolean canRun = true; // 可否運行的標誌
		// 設置當前線程可否繼續運行的標誌
		public void setCanRun(boolean canRun) {
			this.canRun = canRun;
		}

		@Override
		public void run() {
			for (int i=0; i<1000; i++) {
				PrintUtils.print(getName(), "當前計數值爲"+i);
				if (!canRun) { // 若是不容許運行，就打印中止運行的日誌，並跳出線程的循環處理
					PrintUtils.print(getName(), "主動中止運行");
					break;
				}
			}
		}
	}

上述的線程代碼提供了setCanRun方法給外部調用，經過該方法便可設置當前線程可否繼續運行的標誌。外部在啓動ActiveCheckThread線程以後，再調用setCanRun方法，就實現了給分線程遞紙條的功能。下面是ActiveCheckThread線程的調用代碼例子：

	// 線程本身主動檢查是否要中止運行
	private static void testActiveCheck() {
		 // 建立一個會自行檢查運行標誌的線程
		ActiveCheckThread thread = new ActiveCheckThread();
		thread.start(); // 開始線程運行
		try {
			Thread.sleep(50); // 睡眠50毫秒
		} catch (InterruptedException e) { // 睡眠可能會被打斷，須要捕獲中斷異常
			e.printStackTrace();
		}
		thread.setCanRun(false); // 告知該線程不要再跑了，請擇機退出
	}

 

運行上面的測試代碼，觀察到如下的線程日誌，可見分線程按照標誌位提早中止運行了。

………………………這裏省略前面的日誌……………………
16:38:18.457 Thread-0 當前計數值爲14
16:38:18.457 Thread-0 當前計數值爲15
16:38:18.457 Thread-0 當前計數值爲16
16:38:18.458 Thread-0 主動中止運行

設置標誌位的辦法當然可行，但不是很好用，緣由有二：其一，分線程要很積極主動的去檢查標誌位，但是人算不如天算，標誌位的檢查代碼畢竟不能塞獲得處都是，那麼在遺忘的角落就無法響應外部的信號了；其二，設置標誌位是個新增的方法，那麼每一個線程類的標誌設置方法都不盡相同，外部又怎知甲乙丙丁各自提供了哪些設置方法呢？好在Thread類另外提供了線程中斷機制，分線程倒也沒必要新增可否運行的標誌，原來的代碼結構能夠保持不變。在中斷機制裏，凡是屬於正常的業務邏輯，外部概不橫加干涉，只有在耗時較久的場合，例如睡眠、等待之類的狀況，纔可能會收到中斷信號，也就是中斷異常InterruptedException。因而分線程只管捕捉中斷異常，若無異常則照常運行；如有異常則進入中斷分支，對相關事宜妥善處理一下，便可退出線程運行。

據此改造先前的計數器線程，在每次計數以後增長調用sleep方法，且睡眠期間容許接收中斷信號，另外補充異常處理的try/catch語句，並在異常分支進行善後工做。改造後的計數器線程PassiveInterruptThread代碼示例以下：

	// 定義一個被動接受中斷信號的線程
	private static class PassiveInterruptThread extends Thread {
		@Override
		public void run() {
			try {
				for (int i=0; i<1000; i++) {
					PrintUtils.print(getName(), "當前計數值爲"+i);
					Thread.sleep(10); // 睡眠10毫秒，睡眠期間容許接收中斷信號
				}
			} catch (InterruptedException e) { // 收到了異常中斷的信號，打印中斷日誌並退出線程運行
				PrintUtils.print(getName(), "被中斷運行了");
			}
		}
	}

 

接下來外部啓動計數線程以後，調用interrupt方法往分線程發送中斷信號，注意這個interrupt方法爲Thread類的自有方法，每一個線程都適用。下面是PassiveInterruptThread線程的調用代碼例子：

	// 線程被動接收外部的中斷信號
	private static void testPassiveInterrupt() {
		 // 建立一個會接收外部中斷信號的線程
		PassiveInterruptThread thread = new PassiveInterruptThread();
		thread.start(); // 開始線程運行
		try {
			Thread.sleep(50); // 睡眠50毫秒
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		thread.interrupt(); // 無論你正在幹什麼，先停下來再說
	}

 

運行上面的線程調用代碼，觀察到以下的線程日誌，可見分線程的確收到了外部的中斷信號：

………………………這裏省略前面的日誌……………………
17:04:33.284 Thread-0 當前計數值爲3
17:04:33.294 Thread-0 當前計數值爲4
17:04:33.304 Thread-0 當前計數值爲5
17:04:33.305 Thread-0 被中斷運行了

　　

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