深入淺出Java多線程(二)：Java多線程類和接口詳情 - java,多線程,線程,thread,java多線程呂秀才動態日志

引言

大家好，我是你們的老夥計秀才！今天帶來的是[深入淺出Java多線程]系列的第二篇內容：Java多線程類和接口。大家覺得有用請點贊，喜歡請關注！秀才在此謝過大家了！！！

在現代計算機系統中，多線程技術是提升程序性能、優化資源利用和實現併發處理的重要手段。特別是在Java編程語言中，多線程機制被深度集成並廣泛應用於高併發場景，如服務器響應多個客户端請求、大規模數據處理以及用户界面的實時更新等。理解並熟練掌握Java中的多線程創建與管理方式，不僅能幫助開發者充分利用硬件資源，還能有效避免競態條件、死鎖等併發問題，確保應用程序在多核處理器架構下運行得更為高效且穩定。

本文將深入探討Java多線程編程的基本概念和技術細節。首先從最基礎的Thread類入手，介紹如何通過繼承Thread類或實現Runnable接口來定義並啓動一個線程，強調start()方法對於激活線程執行的關鍵作用，並對比兩種實現方式的優劣。同時，我們將揭開Thread類構造方法背後的秘密，詳述各個參數的意義及初始化過程。

進一步地，文檔將闡述Thread類中的一系列常用方法，包括獲取當前線程引用的currentThread()方法、啓動線程執行邏輯的start()方法、釋放CPU時間片的yield()方法、控制線程暫停執行的sleep()方法，以及用於同步等待其他線程完成的join()方法。通過對這些方法的詳細解讀，讀者能夠更好地掌握Java線程間的協作和調度原理。

此外，為了滿足異步任務執行和結果返回的需求，Java提供了Callable接口及其配套的Future和FutureTask類。Callable允許我們在新的線程中執行有返回值的任務，而Future作為異步計算的結果容器，可以用來查詢任務是否完成、取消正在執行的任務以及獲取計算結果。FutureTask則是對Future接口和Runnable接口功能的完美融合，它不僅封裝了任務的執行邏輯，還提供了一種便捷的方式來管理和跟蹤異步操作的狀態。

綜上所述，本文旨在引導逐步瞭解和掌握Java多線程編程的核心類與接口，並通過實際示例解析它們的工作機制和應用場景，為開發高性能、高併發的Java應用程序奠定堅實的基礎。接下來的內容將逐一展開對上述關鍵知識點的詳細講解。

Java中創建與啓動線程

Java中創建與啓動線程（約800字）

在Java中，我們可以通過繼承Thread類或實現Runnable接口來創建自定義的線程對象，並通過調用start()方法啓動執行。這兩種方式分別具有不同的應用場景和特點。

繼承Thread類
通過直接繼承Thread類並重寫run()方法，可以便捷地創建一個具備特定任務邏輯的線程。以下是一個簡單的示例：

public class MyCustomThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Inheriting from Thread class: " + Thread.currentThread().getName());
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyCustomThread myThread = new MyCustomThread();
        myThread.start(); // 啓動線程
    }
}

在這個例子中，MyCustomThread繼承了Thread類並覆蓋了run()方法，當調用start()方法時，JVM會為該線程分配資源並安排它在適當的時候執行run()方法中的代碼。

注意：每個線程只能調用一次start()方法。如果試圖再次調用start()，將會拋出IllegalThreadStateException異常。這是因為一旦線程開始運行後，其生命週期已經進入執行階段，不能重複初始化和啓動。

實現Runnable接口
相較於繼承Thread類，實現Runnable接口更為靈活，因為Java語言遵循單繼承原則，而接口可以多重實現。這使得我們的類可以在繼承其他類的同時實現多線程功能。以下是使用Runnable接口創建線程的示例：

public class RunnableTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Implementing Runnable interface: " + Thread.currentThread().getName());
    }

    public static void main(String[] args) {
        RunnableTask task = new RunnableTask();
        Thread thread = new Thread(task, "MyRunnableThread");
        thread.start();
    }
}

在上述代碼中，RunnableTask實現了Runnable接口並提供了run()方法的具體實現。然後，我們將RunnableTask實例傳給Thread類的構造函數，創建了一個新的線程，並通過thread.start()來啓動它。

此外，從Thread類的源碼分析可知，Thread類是Runnable接口的一個實現類，其構造方法接收Runnable類型的參數target，並通過內部的init方法對其進行初始化。這樣，無論我們是繼承Thread還是實現Runnable，最終都是為了提供一個Runnable實例給Thread來執行具體的任務邏輯。

總結來説，Java提供了兩種途徑創建線程，各有優劣。繼承Thread類的方式直觀簡潔，適用於輕量級的線程封裝；而實現Runnable接口則更符合面向對象設計原則，避免了類層次結構的限制，提高了代碼的可複用性和靈活性。在實際編程中，推薦優先考慮實現Runnable接口以保持代碼結構清晰、易擴展。

Thread類構造方法詳解

在Java中，Thread類的構造方法是創建線程對象併為其設置屬性的核心途徑。Thread類提供了多個構造函數以滿足不同場景下的初始化需求，但它們最終都會調用到一個私有的init方法來完成線程對象的初始化。

// Thread類的部分源碼片段：
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                        long stackSize, AccessControlContext acc,
                        boolean inheritThreadLocals) {...}

public Thread(Runnable target) {
    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}

上述代碼揭示了Thread類的一個重要構造方法：接受一個Runnable類型的target參數，用於指定線程要執行的任務；同時為新創建的線程生成一個默認名稱，並分配默認的棧大小。當通過這個構造器實例化Thread對象時，會調用內部的init方法進行詳細的初始化操作：

g: ThreadGroup - 線程組，若不指定，默認值為null，表示線程將加入到當前應用程序的主要線程組中。
target: Runnable - 這個參數至關重要，它定義了線程執行體，即run()方法的具體內容。當我們實現Runnable接口或者繼承Thread類重寫run()方法時，實際就是給target賦值。
name: String - 指定線程的名字，如果沒有提供名字，則系統會自動為其生成一個唯一的線程名。
stackSize: long - 棧的大小，通常情況下我們不會顯式設置線程棧大小，這裏使用默認值0，由JVM自行決定合適的棧空間大小。
acc: AccessControlContext - 安全控制上下文，用於控制線程執行權限，這是一個相對複雜且較少直接使用的概念，主要用於安全管理框架，如Java安全模型中的訪問控制列表等。
inheritThreadLocals: boolean - 控制線程是否從父線程繼承ThreadLocal變量。在多線程環境下，ThreadLocal可以為每個線程維護一個獨立的變量副本，此處涉及到線程局部變量的傳遞問題。

此外，Thread類內部還包含了與ThreadLocal相關的兩個私有屬性threadLocals和inheritableThreadLocals，它們用於支持線程間的數據隔離以及特定情況下的線程本地變量繼承。

總之，通過Thread類的構造方法，我們可以靈活地定製線程的各種屬性，包括任務目標、線程名以及其他可能影響線程行為的因素。這些構造方法的設計充分體現了Java對線程管理的靈活性和可配置性。

Thread類常用方法

在Java中，Thread類提供了多種方法來管理和控制線程的生命週期及行為。以下將詳細解析Thread類的幾個核心方法，並對比使用Runnable接口與繼承Thread類創建線程的方式。

Thread類的常用方法

currentThread(): 這是一個靜態方法，返回對當前正在執行的線程對象的引用。例如：
```
Thread currentThread = Thread.currentThread();
System.out.println(currentThread.getName());
```
通過這個方法可以獲取當前線程信息並進行相應的操作。
start(): 用於啓動一個線程，使其從新建狀態進入就緒狀態，然後等待操作系統調度執行。調用start()方法後，虛擬機內部會調用該線程的run()方法。多次調用start()會導致異常，因此確保只調用一次。
yield(): 表示當前線程願意放棄CPU時間片，使其他同等優先級的線程有機會運行。但這並不是強制性的，實際調度結果取決於JVM和操作系統的實現。
```
Thread t1 = new Thread(() -> {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        Thread.yield();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
    }
});
t1.start();
```
sleep(long millis): 讓當前線程暫停指定毫秒數的時間，交出CPU使用權給其他線程。此方法會拋出InterruptedException，需妥善處理。

join(): 使當前線程等待另一個線程結束。當在一個線程上調用t.join()時，當前線程將被阻塞直到線程t完成其任務。

Thread threadA = new Thread(() -> {
    // 執行耗時任務
});
Thread threadB = new Thread(() -> {
    try {
        threadA.join(); // 等待threadA執行完畢
        System.out.println("Thread B continues after A");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
});

threadA.start();
threadB.start();

Thread類與Runnable接口的比較

繼承Thread類的方式可以直接訪問Thread類中的諸多方法，但受到Java單繼承的限制，若需要擴展已有類則不適用。
實現Runnable接口更符合面向對象原則，因為Runnable是接口，可以實現多繼承，降低了線程對象和線程任務之間的耦合度。並且，採用Runnable時，可以通過靈活組合Thread類的各種構造方法來創建線程實例。

例如，考慮以下兩個實現方式：

// 繼承Thread類方式
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 線程執行邏輯
    }

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

// 實現Runnable接口方式
public class RunnableTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 線程執行邏輯
    }

    public static void main(String[] args) {
        RunnableTask task = new RunnableTask();
        Thread thread = new Thread(task, "MyRunnableThread");
        thread.start();
    }
}

總結來説，儘管兩種方式都可以創建並啓動線程，但在複雜應用中，由於其靈活性和設計原則上的優勢，通常推薦優先採用實現Runnable接口的方式來定義線程任務。同時結合Thread類提供的各種方法，可以更好地控制線程的行為和狀態。

異步模型與Future接口

異步模型與Future接口

在Java多線程編程中，為了支持執行有返回值的任務並獲取其結果，JDK引入了Callable接口和Future接口。這兩種接口為開發者提供了處理異步任務的強大工具。

Callable接口
Callable接口提供了一個call()方法，它具有返回類型並且可以拋出異常，這使得線程能夠執行一個可能需要較長時間且有明確結果的計算任務。例如：

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CallableExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 創建可緩存線程池
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

        // 自定義實現Callable接口的任務類
        Callable<Integer> task = new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                Thread.sleep(1000); // 模擬耗時操作
                return 42; // 返回計算結果
            }
        };

        // 提交任務到線程池並獲取Future對象
        Future<Integer> futureResult = executor.submit(task);

        // 使用get方法阻塞等待結果，並打印出來
        System.out.println("Future result: " + futureResult.get());

        // 關閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個例子中，我們創建了一個實現了Callable接口的匿名內部類，該類在call()方法中模擬了一個耗時計算過程，並返回一個整數值作為結果。通過ExecutorService提交這個任務後，得到一個Future對象，然後調用其get()方法來阻塞等待計算結果。

Future接口
Future接口代表了一個異步計算的結果，它提供了幾個關鍵方法：

cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：試圖取消正在執行的任務，如果mayInterruptIfRunning為true，則會嘗試中斷線程。
isCancelled()：檢查是否已經取消了此任務。
isDone()：判斷任務是否已完成，無論正常結束還是被取消。
get() 和 get(long timeout, TimeUnit unit)：阻塞等待直到計算完成或超時，然後獲取計算結果。如果不希望無限期等待，可以選擇帶有超時參數的方法。

使用Future接口的一個重要優勢在於，它可以讓我們以同步或異步的方式控制任務的執行和結果的獲取。同時，由於Future提供了取消任務的能力，因此相比Runnable更適合那些需要隨時中止的任務場景。

此外，JDK還提供了FutureTask類，它是Future接口和Runnable接口的實現類，既可以作為一個Runnable對象交給Thread或者ExecutorService執行，又能持有並管理計算結果。通過FutureTask，我們可以更方便地進行異步計算以及狀態跟蹤。

FutureTask類與用途

FutureTask類在Java多線程編程中扮演着關鍵角色，它是對Runnable接口和Future接口的融合實現。作為一個可運行且具有未來結果的任務封裝器，FutureTask可以將任務提交給線程執行，並通過Future接口提供對任務狀態、取消操作以及獲取計算結果的支持。

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class FutureTaskExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        // 創建一個FutureTask實例，使用Callable實現的任務
        Callable<Integer> callable = () -> {
            Thread.sleep(1000); // 模擬耗時計算
            return 123; // 返回計算結果
        };

        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);

        // 將FutureTask作為Runnable對象提交到線程池或直接創建新線程啓動
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start();

        // 當前線程等待FutureTask完成並獲取結果
        Integer result = futureTask.get();
        System.out.println("FutureTask計算結果: " + result);
    }
}

在上述示例中，我們首先定義了一個實現了Callable接口的任務對象，然後通過FutureTask來包裝這個任務。FutureTask既可以直接傳遞給Thread對象使其成為一個可運行的任務，也可以提交給ExecutorService進行異步執行。當調用其get()方法時，當前線程會阻塞直到任務完成，之後返回計算得到的結果。

FutureTask的主要優勢在於它為異步任務提供了生命週期管理功能，包括：

任務調度：FutureTask可以被多個線程安全地調度，確保任務僅被執行一次。
任務狀態跟蹤：內部維護了任務的狀態機，可以通過isDone()等方法檢查任務是否已完成或已被取消。
結果獲取：get()方法允許在任務完成後獲取計算結果，支持阻塞等待和超時機制。
任務取消：調用cancel方法可以嘗試中斷正在執行的任務，或者防止尚未開始的任務執行。

總之，FutureTask是Java併發框架中的重要組件，它結合了Runnable和Future的優點，使得異步任務的管理和控制更為靈活便捷，極大地提高了程序設計的效率和代碼的可讀性。

FutureTask的狀態變遷

在Java多線程編程中，FutureTask類作為實現RunnableFuture接口的實例，不僅封裝了任務執行邏輯，還負責管理任務狀態。FutureTask內部維護了一個volatile的int型變量state來表示其生命週期中的不同狀態。

NEW：初始狀態，表示FutureTask尚未開始執行。
COMPLETING：瞬態狀態，表示任務正在完成，即call()方法正在運行或者結果已經設置，等待後續的完成處理過程。
NORMAL：正常結束狀態，任務已成功執行並設置了結果。
EXCEPTIONAL：異常結束狀態，任務在執行過程中拋出了未捕獲的異常，結果被設置為該異常對象。
CANCELLED：取消狀態，通過調用cancel方法且成功取消了任務，此時任務不會繼續執行。
INTERRUPTING：中斷中狀態，也是瞬態狀態，表明正在進行取消操作，並嘗試中斷底層的任務執行線程。
INTERRUPTED：已中斷狀態，意味着任務在取消過程中已被成功中斷。

這些狀態之間的轉換路徑如下：

NEW -> COMPLETING -> NORMAL 或 EXCEPTIONAL
NEW -> CANCELLED
NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED

FutureTask的設計確保了任務只執行一次，即使在併發環境下也能正確地管理狀態變遷和結果返回。例如，在高併發場景下，如果有多個線程同時嘗試啓動一個FutureTask，它會保證僅有一個線程實際執行任務，其餘線程等待結果。

以下是一個簡單的FutureTask狀態變遷的示例代碼片段，但請注意，由於FutureTask內部對狀態變更做了嚴格控制和同步處理，我們無法直接模擬所有狀態變遷的過程：

public class FutureTaskStateExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                Thread.sleep(1000); // 模擬耗時計算
                return 42; // 正常返回結果
            }
        });

        Thread t = new Thread(futureTask);
        t.start();

        // 在任務執行期間嘗試取消
        futureTask.cancel(true);

        // 判斷任務是否已取消或已完成
        if (futureTask.isCancelled()) {
            System.out.println("任務已取消");
        } else if (futureTask.isDone()) {
            System.out.println("任務已完成，結果：" + futureTask.get());
        }

        // 根據實際情況，這裏可能輸出"任務已取消"或"任務已完成"
    }
}

這段代碼創建了一個FutureTask實例並在新線程中執行。在任務執行過程中嘗試取消，根據最終狀態判斷任務是已取消還是已完成。真實情況下，FutureTask會確保按照預定義的狀態變遷規則進行切換。

總結

Java多線程編程提供了豐富的類與接口，便於開發者高效地創建、管理和控制線程。在實際應用中，我們可以通過以下幾種方式來實現：

繼承Thread類或實現Runnable接口：前者通過重寫run()方法定義線程任務；後者更符合面向對象原則且不受單繼承限制，允許通過構造函數傳遞Runnable實例給Thread類以啓動新線程。示例代碼展示瞭如何通過這兩種途徑創建並運行線程。

// 繼承Thread類
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Thread running");
    }

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

// 實現Runnable接口
public class RunnableTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Runnable Task running");
    }

    public static void main(String[] args) {
        RunnableTask task = new RunnableTask();
        Thread thread = new Thread(task);
        thread.start();
    }
}

使用Future和Callable進行異步計算：當需要獲取線程執行結果時，可以結合Callable和Future接口實現異步模型。FutureTask作為這兩個接口的實現，兼顧了任務執行和結果返回的功能。例如：

import java.util.concurrent.*;

public class FutureTaskExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Callable<Integer> callable = () -> { return calculate(); };
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);

        Thread executor = new Thread(futureTask);
        executor.start();

        Integer result = futureTask.get(); // 阻塞等待結果
        System.out.println("FutureTask returned: " + result);
    }

    private static Integer calculate() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
            return 42;
        } catch (InterruptedException e) {
            return -1;
        }
    }
}

FutureTask狀態變遷：FutureTask內部維護了多種狀態，如NEW、COMPLETING、NORMAL等，用於準確反映任務從初始化到完成或取消的全過程，確保併發環境下的正確性。

綜上所述，在Java多線程編程中，通過靈活運用Thread、Runnable、Callable以及Future/FutureTask等工具，開發者能夠更好地設計和管理複雜的併發場景，並利用異步編程提高系統性能與響應速度。深入理解這些類與接口的工作機制及應用場景，是構建高效穩定多線程應用程序的關鍵所在。同時，學習線程組、線程優先級等相關概念，將有助於進一步提升對Java多線程編程的全面掌控能力。