Java 多线程基础

发表于 2017-03-16 更新于 2018-01-13 分类于 Java 阅读次数：

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1. 创建线程

1.1 通过 `Runnable` 接口创建

实现 Runnable 接口

class Myrunnable implement Runnable {
run();
}

创建 Runnable 对象
```
Runnable r = new Myrunnable();
```
由 Runnable 对象创建 Thread 对象
```
Thread t = new Thread(r);
```
启动线程
```
t.start();
```
不能直接调用 run() 方法，应调用 Thread.start() 方法来间接调用 run 方法

1.2 通过继承 `Thread` 类实现

实现继承类

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // Do works
    }
}

构造类实例

public void static main(Sting [] args) {
    MyThread my = new MyThread();
    Thread t = new Thread(my);
}

通过 start() 方法开启线程
```
t.start();
```

2. 中断线程

Java 使用中断来执行终止线程的作用；
但是，当一个线程接收到终止信号时，它可以选择对于中断信号的响应方式，这就带来了很好的扩展性。
但同时也带来了一些疑惑的地方。

2.1 中断置位和检测

使用 Thread.currentThread() 方法获取到当前运行的线程

关于 Thread.currentThread() 方法：
此方法的官方解释是：Return the current executing Thread reference.
所谓的当前线程指的是：运行当前代码段的线程，由于一段代码只能在一个线程中运行，如果使用多个线程同时执行同一段代码时，那么这个方法获取到的就是执行当前代码段的线程，叫做当前线程。
注意，这个方法如果不在子线程中（即 run() 方法中），那么获取到的就一直是主线程（main）
需要特别注意的是，不同线程不允许访问同一个变量，否则会引起竞争冒险
使用 interrupt() 将中断布尔值置为 true

Java 的中断线程实际上是将线程内置的一个 boolean 值置为 true，以此来表示该线程已被中断。
当我们需要中断一个线程时，就调用该方法将线程内部的中断布尔值置为 true。
线程会在适当时候轮询这个布尔值，同时响应中断操作。注意这个动作是 Thread 官方类库中自带的。
使用 isInterrupted() 来查询当前线程的中断布尔值

一个好的 run() 方法应该包含对中断的检测，如果检测到中断，那么就应该进行响应。
一般来说，应该放弃当前正在进行的工作，进行清理后将线程终止。

但是如果需要在 run() 中执行 sleep() 方法，那么就没有必要检测中断状态，因为 sleep() 方法在被中断时，会抛出 InterruptedException，那么只需捕获这个异常进行处理即可。
关于 interrupted() 和 isInterrupted()

isInterrupted() 方法检测中断状态，但是不会影响中断状态的值。
interrupted() 方法检测中断状态，同时将中断状态清除。
需要注意的是，sleep() wait() 方法在抛出 InterruptedException 之后，都会将中断状态清除。
对于这种状况，我们就需要对其进行一些处理。

2.2 关于 `InterruptedException` 异常

2.2.1 抛出时机

当线程同时位于阻塞和中断状态时，抛出。
即，当线程调用 sleep() wait() join() 等方法时被中断，那么抛出异常。

一般来说，如果一个方法可以抛出 InterruptedException，那么说明这个方法的当前线程是可以被中断（取消）的。

2.2.2 `InterruptedException` 的处理

不捕捉该异常，改为向上层抛出。

这在很多基础类库的方法中很常见，比如 sleep().
通过将这个方法传送给更高级的调用者，让高层面的调用方法对其进行处理。
```
public void putTask(Task r) throws InterruptedException {
    queue.put(r);
}
```

执行清理后，将该异常抛出。

这种逻辑常常在一些第三方的并发库中，为了避免由于异常导致的数据缺失，进行一些必要的清理、保存操作后，将异常传给调用者。

public void matchPlayers() throws InterruptedException {
    try {
         Player playerOne, playerTwo;
         while (true) {
             playerOne = playerTwo = null;
             // Wait for two players to arrive and start a new game
             playerOne = players.waitForPlayer(); // could throw IE
             playerTwo = players.waitForPlayer(); // could throw IE
             startNewGame(playerOne, playerTwo);
         }
     }
     catch (InterruptedException e) {
         // If we got one player and were interrupted, put that player back
         if (playerOne != null)
             players.addFirst(playerOne);
         // Then propagate the exception
         throw e;
     }
}

捕捉中断后，重新将中断置位

当不便抛出中断时，比如通过实现 Runnable 接口定义的任务。
此时，就要重新将中断置位，以便高层代码能了解到中断的发生。

public class TaskRunner implements Runnable {
    private BlockingQueue<Task> queue;

    public TaskRunner(BlockingQueue<Task> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    public void run() {
        try {
             while (true) {
                Task task = queue.take(10, TimeUnit.SECONDS);
                 task.execute();
             }
        }
        catch (InterruptedException e) {
             // Restore the interrupted status
             Thread.currentThread().interrupt();
         }
    }
}

当且仅当已知线程即将退出时，才能生吞线程

这种线程首先必须是由继承 Thread 实现的，而不是 Runnable 实现的，或者其他通用代码库中的方法。
应在两处轮询中断状态，确保其一定会退出

public class PrimeProducer extends Thread {
    private final BlockingQueue<BigInteger> queue;

    PrimeProducer(BlockingQueue<BigInteger> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    public void run() {
        try {
            BigInteger p = BigInteger.ONE;
            // 两处轮询中断状态
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted())
                queue.put(p = p.nextProbablePrime());
        } catch (InterruptedException consumed) {
            /* Allow thread to exit */
        }
    }

    public void cancel() { interrupt(); }
}

3. 线程的生命周期

Thread Life Cycle

新建

当线程被 new 的时候
可运行

当调用 start() 方法后，进入可运行状态
运行

当线程经调度器获得资源时，进入运行状态
阻塞状态

当 sleep() wait() join() 方法调用，和等待锁或者等待 IO 输入 时，进入阻塞状态。
注意，join() 方法会导致调用这个方法的线程阻塞，如果线程 t1 调用 t2.join()，那么 t1 将进入阻塞状态，直到 t2 执行完毕。
使用 yeild() 方法不会使线程被阻塞，它只是让当前运行的线程放弃资源，重新进入可运行状态，接受调度器的重新调度。
终止状态

仅有两种情况会使得线程终止。
一是 run() 方法执行完毕。
一是由于未捕获的异常造成的线程终止。

3.1 Java 如何终止一个线程

对于会引起 InterruptedException 的方法

对于这种方法，直接对 InterruptedException 进行捕获即可。
注意如果产生异常的方法在一个循环之中，那么就要 break 出来。
注意要将中断状态再次置位，否则如果在一个嵌套循环里面发生中断的话，那么将得不到正确处理。
对于不会引起 InterruptedException 的方法

对于这种方法，我们可以通过在执行真正的工作前，先轮询中断状态的布尔变量。如果中断状态已经被置位了，那么就执行退出。
但是这样会造成一定程度的延时性，所以最好还是通过异常进行处理。
例如：
```
public void run() {
    try {
        while(!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
             // ...
        }
    } catch (InterruptedException consumed) {
        /* Allow thread to exit */
    }
}

public void cancel() { interrupt(); }
```

对于被 IO 阻塞的方法

对于这种方法，当中断发生时，它会产生 InterruptedIOException。
通过类似捕获 InterruptedException 的方法来捕获 InterruptedIOException。
但是要注意，由于中断的发生，我们需要同时关闭这个线程所占有的 IO 流，此时，我们要重载 interrupt() 方法，使其能够关闭 IO 流，同时引起 IOException 的发生。
所以对于 IOException，我们就需要判断是否是由于中断引起的 IOException

    import java.io.IOException;
    import java.io.InputStream;
    import java.io.InterruptedIOException;

    public class BlockedOnIO extends Thread {
        private final InputStream in;
        public BlockedOnIO(InputStream in) {
            this.in = in;
        }

        @Override
        public void interrupt() {
            super.interrupt();
            try {
                in.close();
            } catch (IOException e) {} // quietly close
        }

        public void run() {
            try {
                System.out.println("Reading from input stream");
                in.read();
                System.out.println("Finished reading");
            } catch (InterruptedIOException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                System.out.println("Interrupted via InterruptedIOException");
            } catch (IOException e) {
                if (!isInterrupted()) {
                    e.printStackTrace();
                } else {
                    System.out.println("Interrupted");
                }
            }
            System.out.println("Shutting down thread");
        }
}

4. 线程属性

4.1 优先级

系统会优先调用高优先级的线程
线程优先级高度依赖系统实现，由系统线程优先级映射到 Java 虚拟机上

4.2 守护线程

守护线程用于给其他线程提供服务，例如发送定时信号等。
守护线程由于很容易中断，不应访问固有资源（例如文件、数据库等）
setDaemon() 方法必须在线程开始前调用
当程序中只存在守护线程时，JVM 退出，守护线程一并终止
典型应用：GC（垃圾回收），保持长连接等。

4.3 `uncaughtExceptionHandler`

线程的 run() 方法不能抛出任何被检测的异常
未捕获的异常会被 uncaughtExceptionHandler 捕获
可以使用特定的方法设置处理器，如果未设置，则为空
任何线程默认情况同属于一个线程组
线程组（ThreadGroup）默认实现了一个处理器，其对应方法按照如下逻辑进行工作
1. 如果有父线程组，那么就采用父线程组的处理器
2. 否则，如果 getDefaultExceptionHandler() 方法部位空，那么则调用该处理器。
3. 否则，如果线程已经死亡，则什么都不做
4. 否则，将线程的名字和对应的栈轨迹输出到 System.err 上。
  
  这也是我们通常见到的情景。