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深入淺出、玩轉Java多線程

發布時間：2023-09-30 21:07:38 作者：網友整理



哈嘍，大家好，我是了不起。

JAVA多線程是Java編程語言的一個特性，它允許程序在同一時間執行多個任務。使用多線程可以充分利用計算機的多核處理器，提高程序的性能和響應速度。

本文將介紹一下Java多線程的用法。

基礎介紹

什么是多線程

指的是在一個進程中同時運行多個線程，每個線程都可以獨立執行不同的任務或操作。 與單線程相比，多線程可以提高程序的并發性和響應能力。

什么是進程

是指正在運行的程序的實例。

每個進程都擁有自己的內存空間、代碼、數據和文件等資源，可以獨立運行、調度和管理。在操作系統中，進程是系統資源分配的最小單位，是實現多任務的基礎。

Java多線程

Java多線程是指在一個Java程序中同時執行多個線程，它可以提高程序的并發性和響應能力。Java中實現多線程的方式：

  • 繼承Thread類
  • 實現Runnable接口
  • Executor框架
  • Callable
  • Future
  • 線程池

繼承Thread類

繼承Thread類是實現多線程的一種方式，只需要繼承Thread類并重寫run()方法即可。

public class ThreadDemo {
    public static void mAIn(String[] args) {
        // 創建10個線程并啟動
        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);  // 模擬任務執行時間
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上代碼中，首先創建了一個ThreadDemo類，在main函數中創建了10個線程，并啟動這些線程。

每個線程都是MyThread類的實例，MyThread類繼承了Thread類，并重寫了run()方法，在方法中模擬了一個需要執行1秒鐘的任務。

在main函數中，通過創建MyThread類的實例，并調用start()方法啟動線程。start()方法會調用線程的run()方法，在run()方法中執行線程的任務。

實現Runnable接口

另一種實現多線程的方式是實現Runnable接口，需要實現run()方法，并將實現了Runnable接口的對象傳遞給Thread類的構造函數。

public class RunnableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 創建10個線程并啟動
        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);  // 模擬任務執行時間
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上代碼中，創建了一個RunnableDemo類，在main函數中創建了10個線程，并啟動這些線程。

每個線程都是MyTask類的實例，MyTask類實現了Runnable接口，并重寫了run()方法，在方法中模擬了一個需要執行1秒鐘的任務。

在main函數中，通過創建MyTask類的實例，并創建一個Thread對象，將Runnable對象作為參數傳遞給Thread構造方法，最后調用start()方法啟動線程。start()方法會調用線程的run()方法，在run()方法中執行線程的任務。

在使用實現Runnable接口實現多線程時，可以更好地分離任務和線程，并提高代碼的可擴展性和可維護性。

如果需要添加更多的線程或任務，只需要創建更多的Runnable實例，并創建對應的Thread對象即可，不需要創建更多的線程類，并且可以更好地重用代碼。

Executor框架

Executor框架是Java提供的一個線程池框架，用于管理和調度多個線程。通過Executor框架，可以更方便地實現多線程，避免手動管理線程帶來的復雜性和風險。

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

  1. Executor是一個簡單的線程池接口，只有一個execute()方法，用于提交一個Runnable任務給線程池執行。
  2. ExecutorService是Executor的擴展接口，提供了更多的管理和調度線程的方法，如submit()、shutdown()、awaitTermination()等。

使用Executor框架實現多線程，通常需要以下步驟：

  1. 創建一個ExecutorService對象，可以使用Executors類提供的靜態方法創建線程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
  2. 將需要執行的任務封裝成一個Runnable或Callable對象，可以使用Java中的匿名內部類或Lambda表達式來創建。
  3. 將任務提交給ExecutorService對象執行，可以使用submit()方法提交Callable對象，或使用execute()方法提交Runnable對象。
  4. 在程序完成時，調用shutdown()方法關閉線程池，或使用awaitTermination()方法等待所有線程執行完畢。
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
 
public class ExecutorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 創建一個包含10個線程的線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
        // 提交10個任務給線程池執行
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.execute(new MyTask(i));
        }
 
        // 關閉線程池
        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);  // 模擬任務執行時間
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上面的例子中，先創建了一個ExecutorDemo類，在main函數中創建了一個包含10個線程的線程池。

每個線程池中的線程都可以執行MyTask類的實例，MyTask類實現了Runnable接口，并重寫了run()方法，在方法中模擬了一個需要執行1秒鐘的任務。

在main函數中，創建MyTask類的實例，并調用ExecutorService的execute()方法提交給線程池執行。

execute()方法會將任務提交給線程池中的一個空閑線程執行。

最后調用ExecutorService的shutdown()方法關閉線程池。

需要注意的是，shutdown()方法會等待所有線程執行完畢后才會關閉線程池，如果需要立即關閉線程池，可以使用shutdownNow()方法。

Callable實現多線程

Callable是Java中的一個接口，與Runnable接口類似，都用于封裝一個線程執行的任務。

不同的是，Callable接口的call()方法可以返回一個結果，而Runnable接口的run()方法沒有返回值。

使用Callable實現多線程，通常需要以下步驟：

  1. 創建一個實現了Callable接口的類，實現call()方法，并在方法中編寫線程執行的代碼。
  2. 創建一個ExecutorService對象，可以使用Executors類提供的靜態方法創建線程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
  3. 將Callable對象提交給ExecutorService對象執行，可以使用submit()方法提交。
  4. 調用Future對象的get()方法獲取Callable線程執行的結果。
  5. 在程序完成時，調用shutdown()方法關閉線程池，或使用awaitTermination()方法等待所有線程執行完畢。
import java.util.concurrent.*;
 
public class CallableDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
        // 提交10個Callable任務給線程池執行
        Future<Integer>[] results = new Future[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Callable<Integer> task = new MyTask(i);
            results[i] = executor.submit(task);
        }
 
        // 輸出Callable任務的執行結果
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Integer result = results[i].get();
            System.out.println("Task " + i + " result is " + result);
        }
 
        // 關閉線程池
        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);  // 模擬任務執行時間
        return id * 10;
    }
}

首先創建一個線程池，然后提交10個Callable任務給線程池執行。每個Callable任務都是MyTask類的實例，MyTask類實現了Callable接口，并重寫了call()方法，在方法中模擬了一個需要執行1秒鐘的任務，并返回一個結果。

詳細解釋如下：

  1. 創建一個線程池，通過調用Executors的靜態方法newFixedThreadPool(10)，創建了一個固定大小為10的線程池。
  2. 在for循環中，通過創建MyTask類的實例，將其封裝為Callable對象，并通過ExecutorService的submit()方法提交給線程池執行。submit()方法會返回一個Future對象，代表了Callable任務的執行結果。
  3. 在for循環中，通過Future數組記錄每個Callable任務的執行結果，可以通過調用get()方法獲取Callable任務的執行結果。如果Callable任務還沒有執行完成，get()方法會阻塞當前線程，直到任務執行完成并返回結果。如果任務執行過程中發生異常，get()方法會拋出ExecutionException異常。
  4. 在任務完成后，可以通過調用Future對象的get()方法獲取任務的執行結果，并打印輸出。
  5. 最后調用ExecutorService的shutdown()方法關閉線程池，應該在所有任務執行完成后才能關閉線程池。

注意，在使用Callable實現多線程時，要考慮線程安全、同步機制、任務調度和管理等問題，以確保程序的正確性和穩定性。

同時，由于Callable任務的執行時間可能會比較長，可以設置超時時間來避免任務執行時間過長導致的程序阻塞。

Future實現多線程

Future是Java中的一個接口，用于異步獲取任務執行結果。

在多線程編程中，可以使用Future來獲取異步任務的執行結果，以便在任務完成后進行處理或展示。

使用Future實現多線程，需要以下步驟：

  1. 創建一個實現了Callable接口的類，實現call()方法，并在方法中編寫線程執行的代碼。
  2. 創建一個ExecutorService對象，可以使用Executors類提供的靜態方法創建線程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
  3. 將Callable對象提交給ExecutorService對象執行，可以使用submit()方法提交，submit()方法會返回一個Future對象。
  4. 調用Future對象的get()方法獲取Callable線程執行的結果。如果任務還沒有執行完成，get()方法會阻塞當前線程直到任務執行完成并返回結果。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;
 
public class FutureDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
        // 提交10個Callable任務給線程池執行
        List<Future<Integer>> results = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Callable<Integer> task = new MyTask(i);
            Future<Integer> result = executor.submit(task);
            results.add(result);
        }
 
        // 輸出Callable任務的執行結果
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Integer result = results.get(i).get();
            System.out.println("Task " + i + " result is " + result);
        }
 
        // 關閉線程池
        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);  // 模擬任務執行時間
        return id * 10;
    }
}

在以上示例中:

  1. 首先創建了一個線程池，然后提交10個Callable任務給線程池執行。每個Callable任務都是MyTask類的實例，MyTask類實現了Callable接口，并重寫了call()方法，在方法中模擬了一個需要執行1秒鐘的任務，并返回一個結果。
  2. 在main函數中，使用List記錄每個Callable任務的執行結果的Future對象，并在任務完成后通過調用get()方法獲取Callable任務的執行結果。如果任務還沒有執行完成，get()方法會阻塞當前線程直到任務執行完成并返回結果。
  3. 最后關閉線程池。

線程池實現多線程

線程池是Java中提供的一個用于管理和復用多個線程的框架，可以有效地提高多線程應用程序的性能和可靠性。

使用線程池實現多線程，通常需要以下步驟：

  1. 創建一個線程池，可以使用Executors類提供的靜態方法創建線程池，如newFixedThreadPool()、newCachedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()等。
  2. 創建一個實現了Runnable接口或Callable接口的類，實現run()方法或call()方法，并在方法中編寫線程執行的代碼。
  3. 將Runnable對象或Callable對象提交給線程池執行，可以使用submit()方法提交，submit()方法會返回一個Future對象。
  4. 關閉線程池，可以調用shutdown()方法或shutdownNow()方法。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;
 
public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創建一個包含10個線程的線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
        // 提交10個任務給線程池執行，并記錄每個任務的執行結果
        List<Future<Integer>> results = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Callable<Integer> task = new MyTask(i);
            Future<Integer> result = executor.submit(task);
            results.add(result);
        }
 
        // 等待所有任務執行完成
        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
 
        // 輸出所有任務的執行結果
        int total = 0;
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try {
                Integer result = results.get(i).get();
                System.out.println("Task " + i + " result is " + result);
                total += result;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ExecutionException e) {
                System.out.println("Task " + i + " execution error: " + e.getCause().getMessage());
            }
        }
        System.out.println("Total result is " + total);
    }
}
 
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(2000);  // 模擬任務執行時間
        if (id % 2 == 0) {
            throw new RuntimeException("Task " + id + " execution error");
        }
        return id * 10;
    }
}

在以上示例中，首先創建了一個包含10個線程的線程池，然后提交10個任務給線程池執行。每個任務都是MyTask類的實例，MyTask類實現了Callable接口，并重寫了call()方法，在方法中模擬了一個需要執行2秒鐘的任務，并返回一個結果。

其中，如果任務的id是偶數，會拋出一個運行時異常。

在main函數中，使用List記錄每個任務的執行結果的Future對象，并在任務完成后通過調用get()方法獲取任務的執行結果。

如果任務還沒有執行完成，get()方法會阻塞當前線程直到任務執行完成并返回結果。

在所有任務提交給線程池后，調用ExecutorService的shutdown()方法關閉線程池，并調用awaitTermination()方法等待所有任務執行完成。

最后輸出所有任務的執行結果，并計算所有任務的執行結果的總和。

總結

總之，Java多線程是提高程序并發性和響應能力的重要手段，需要掌握多線程的實現方式、同步機制、線程之間的通信機制等，以確保多線程程序的正確性和穩定性。

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標簽：多線程 Java
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