【Java系列】深入解析Java多线程（上）

1 基础介绍

什么是多线程

多线程：

• 指的是在一个进程中同时运行多个线程，每个线程都可以独立执行不同的任务或操作。
• 与单线程相比，多线程可以提高程序的并发性和响应能力。

什么是进程

进程：

是指正在运行的程序的实例。

每个进程都拥有自己的内存空间、代码、数据和文件等资源，可以独立运行、调度和管理。在操作系统中，进程是系统资源分配的最小单位，是实现多任务的基础。

在Java中，每个Java虚拟机（JVM）都是一个进程，可以同时运行多个Java程序，每个Java程序都是一个独立的进程。

2 Java多线程

Java多线程是指在一个Java程序中同时执行多个线程，它可以提高程序的并发性和响应能力。Java中实现多线程的方式：

1. 继承Thread类
2. 实现Runnable接口
3. Executor框架
4. Callable
5. Future
6. 线程池

1 继承Thread类

继承Thread类是实现多线程的一种方式，只需要继承Thread类并重写run()方法即可。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建10个线程并启动
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            MyThread thread = new MyThread(i);
            thread.start();
        }
    }
}
class MyThread extends Thread {
    private int id;
    public MyThread(int id) {
        this.id = id;
    }
    public void run() {
        System.out.println("Thread " + id + " is running");
        try {
            Thread.sleep(1000);  // 模拟任务执行时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上代码中，首先创建了一个ThreadDemo类，在main函数中创建了10个线程，并启动这些线程。

每个线程都是MyThread类的实例，MyThread类继承了Thread类，并重写了run()方法，在方法中模拟了一个需要执行1秒钟的任务。

在main函数中，通过创建MyThread类的实例，并调用start()方法启动线程。start()方法会调用线程的run()方法，在run()方法中执行线程的任务。

2 实现Runnable接口

另一种实现多线程的方式是实现Runnable接口，需要实现run()方法，并将实现了Runnable接口的对象传递给Thread类的构造函数。

public class RunnableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建10个线程并启动
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable task = new MyTask(i);
            Thread thread = new Thread(task);
            thread.start();
        }
    }
}
class MyTask implements Runnable {
    private int id;
    public MyTask(int id) {
        this.id = id;
    }
    public void run() {
        System.out.println("Thread " + id + " is running");
        try {
            Thread.sleep(1000);  // 模拟任务执行时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上代码中，创建了一个RunnableDemo类，在main函数中创建了10个线程，并启动这些线程。

每个线程都是MyTask类的实例，MyTask类实现了Runnable接口，并重写了run()方法，在方法中模拟了一个需要执行1秒钟的任务。

在main函数中，通过创建MyTask类的实例，并创建一个Thread对象，将Runnable对象作为参数传递给Thread构造方法，最后调用start()方法启动线程。start()方法会调用线程的run()方法，在run()方法中执行线程的任务。

在使用实现Runnable接口实现多线程时，可以更好地分离任务和线程，并提高代码的可扩展性和可维护性。

如果需要添加更多的线程或任务，只需要创建更多的Runnable实例，并创建对应的Thread对象即可，不需要创建更多的线程类，并且可以更好地重用代码。

3 Executor框架

Executor框架是Java提供的一个线程池框架，用于管理和调度多个线程。通过Executor框架，可以更方便地实现多线程，避免手动管理线程带来的复杂性和风险。

Executor框架的核心接口是Executor和ExecutorService，

Executor是一个简单的线程池接口，只有一个execute()方法，用于提交一个Runnable任务给线程池执行。

ExecutorService是Executor的扩展接口，提供了更多的管理和调度线程的方法，如submit()、shutdown()、awaitTermination()等。

使用Executor框架实现多线程，通常需要以下步骤：

1. 创建一个ExecutorService对象，可以使用Executors类提供的静态方法创建线程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
   
2. 将需要执行的任务封装成一个Runnable或Callable对象，可以使用Java中的匿名内部类或Lambda表达式来创建。
   
3. 将任务提交给ExecutorService对象执行，可以使用submit()方法提交Callable对象，或使用execute()方法提交Runnable对象。
   
4. 在程序完成时，调用shutdown()方法关闭线程池，或使用awaitTermination()方法等待所有线程执行完毕。
   

下面是一个使用Executor框架实现多线程的示例：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ExecutorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个包含10个线程的线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 提交10个任务给线程池执行
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.execute(new MyTask(i));
        }
        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}
class MyTask implements Runnable {
    private int id;
    public MyTask(int id) {
        this.id = id;
    }
    public void run() {
        System.out.println("Thread " + id + " is running");
        try {
            Thread.sleep(1000);  // 模拟任务执行时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

代码讲解： 

先创建了一个ExecutorDemo类，在main函数中创建了一个包含10个线程的线程池。

每个线程池中的线程都可以执行MyTask类的实例，MyTask类实现了Runnable接口，并重写了run()方法，在方法中模拟了一个需要执行1秒钟的任务。

在main函数中，创建MyTask类的实例，并调用ExecutorService的execute()方法提交给线程池执行。

execute()方法会将任务提交给线程池中的一个空闲线程执行。

最后调用ExecutorService的shutdown()方法关闭线程池。

需要注意的是，shutdown()方法会等待所有线程执行完毕后才会关闭线程池，如果需要立即关闭线程池，可以使用shutdownNow()方法。

Callable实现多线程

Callable是Java中的一个接口，与Runnable接口类似，都用于封装一个线程执行的任务。

不同的是，Callable接口的call()方法可以返回一个结果，而Runnable接口的run()方法没有返回值。

使用Callable实现多线程，通常需要以下步骤：

1. 创建一个实现了Callable接口的类，实现call()方法，并在方法中编写线程执行的代码。
   
2. 创建一个ExecutorService对象，可以使用Executors类提供的静态方法创建线程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
3. 将Callable对象提交给ExecutorService对象执行，可以使用submit()方法提交。
4. 调用Future对象的get()方法获取Callable线程执行的结果。
   
5. 在程序完成时，调用shutdown()方法关闭线程池，或使用awaitTermination()方法等待所有线程执行完毕。
   

下面是一个使用Callable实现多线程的示例：

import java.util.concurrent.*;
public class CallableDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 提交10个Callable任务给线程池执行
        Future<Integer>[] results = new Future[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Callable<Integer> task = new MyTask(i);
            results[i] = executor.submit(task);
        }
        // 输出Callable任务的执行结果
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Integer result = results[i].get();
            System.out.println("Task " + i + " result is " + result);
        }
        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}
class MyTask implements Callable<Integer> {
    private int id;
    public MyTask(int id) {
        this.id = id;
    }
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("Task " + id + " is running");
        Thread.sleep(1000);  // 模拟任务执行时间
        return id * 10;
    }
}

首先创建一个线程池，然后提交10个Callable任务给线程池执行。每个Callable任务都是MyTask类的实例，MyTask类实现了Callable接口，并重写了call()方法，在方法中模拟了一个需要执行1秒钟的任务，并返回一个结果。

详细解释如下：

1. 创建一个线程池，通过调用Executors的静态方法newFixedThreadPool(10)，创建了一个固定大小为10的线程池。
   
2. 在for循环中，通过创建MyTask类的实例，将其封装为Callable对象，并通过ExecutorService的submit()方法提交给线程池执行。submit()方法会返回一个Future对象，代表了Callable任务的执行结果。
3. 在for循环中，通过Future数组记录每个Callable任务的执行结果，可以通过调用get()方法获取Callable任务的执行结果。如果Callable任务还没有执行完成，get()方法会阻塞当前线程，直到任务执行完成并返回结果。如果任务执行过程中发生异常，get()方法会抛出ExecutionException异常。
4. 在任务完成后，可以通过调用Future对象的get()方法获取任务的执行结果，并打印输出。
   
5. 最后调用ExecutorService的shutdown()方法关闭线程池，应该在所有任务执行完成后才能关闭线程池。
   

注意，在使用Callable实现多线程时，要考虑线程安全、同步机制、任务调度和管理等问题，以确保程序的正确性和稳定性。

同时，由于Callable任务的执行时间可能会比较长，可以设置超时时间来避免任务执行时间过长导致的程序阻塞。