java多线程开发基础



0. 前言

Java 为了实现跨平台，在语言层面上实现了多线程。我们只需要熟悉 Java 这一套多线程机制就行了，比 C/C++ 要容易多了。

1. 定义任务

我们编写程序，最终是为了完成特定的任务。为了更有效的利用系统资源，我们把任务合理地划分成多个子任务，放到多个线程中来执行。所以，首先我们需要一种描述任务的方式。在 Java 中，一般我们都用 Runable 接口来定义任务。

想要定义任务，只需要实现 Runable 接口，然后在 run() 方法中写上执行步骤。请注意，Runable 只是定义了一个任务，本身不会去启动一个新线程来执行。看下面的例子。可以看到，在外面直接打印的线程名和在 Runable 的 run() 方法中打印的线程名是相同的。

输出结果：

2. Thread类

​ 要让任务在新的线程执行，最直接的方法是用它来创建一个 Thread 类。这里用 Thinking in Java 书上的例子来展示 Thread 类的使用。

LiftOff 任务会显示发射前的倒计时。注意在 run() 方法中调用的 Thread.yield() 方法。这个方法的作用是对线程调度器的一种建议，表示当前线程可以让出处理器。当然，线程调度器不一定会真的切换执行线程。LifiOff 任务整个执行时间实际上很短，如果不使用 Thread.yield() 很可能直到任务执行完成线程调度器才会切换新的线程，不利于观察多线程的效果。

​ Thread的构造器接收 Runable 对象，并在调用 start() 方法之后启动新的线程去执行 Runable中的 run() 方法。输出结果很有意思。我们启动了5个发射前的倒计时任务，“ Waiting for Liftoff ” 在倒计时没完成之前就输出了，这证明现在的任务确实是在新的线程执行的。各个任务的倒计时混杂在一起，说明不同任务的执行线程在被不断的换进换出。

java多线程开发基础3. 使用Executor

java.util.concurrent 包中的执行器（ Executor ），可以帮我们管理Thread对象。 Executor 是一个接口，只有一个方法，就是 execute 。当我们把一个 Runable 交给 Executor 去执行，它可能会启动一个新的线程、或者从线程池中选择一个线程、甚至直接使用当前线程。但是，这些我们都不需要关心，我们只需要选择合适的 Executor 的实现，然后把任务扔给它去执行就好了。

先来看一个具体的使用示例。在这个示例中，我们通过 Executors 来创建了一个 线程池 CachedThreadPool。并通过这个线程池来执行5个发射前的倒计时任务。

在上面的示例中有几个需要解释的概念：

• Executors：一个工厂和工具类。
• ExecutorService：有生命周期的 Executor 。也是一个接口，继承于 Executor 。
• CachedThreadPool：线程池。当新任务过来，会首先找池中有没有可用的线程，没有才新建线程。

在 Executors 中还定义了另外三种线程池：FixedThreadPool 、SingleThreadPool 、 ScheduledThreadPool （也提供了单线程的 ScheduledThreadPool ）。FixedThreadPool 线程数量是稳定的，线程创建后不会销毁，达到设定的数量后，不再创建新线程。SingleThreadExecutor 是只能有一个线程的线程池。而 ScheduledThreadPool 可以定时执行任务。现在把上面的示例中的 CachedThreadPool 换成 FixedThreadPool ，最大线程数量为3。

从输出结果可以看到，只有三个任务在同时执行。后面两个任务等前面的任务执行完成了，才开始执行。

对线程池的进一步研究

来看一下 Executors 中这四种线程池是怎么创建的。

前面三种线程池，都是直接创建了 ThreadPoolExecutor 类的对象。ScheduledThreadPool 因为要实现定时功能，创建的是 ScheduledThreadPoolExecutor 类的对象。但 ScheduledThreadPoolExecutor 也是继承自ThreadPoolExecutor 。所以我们主要关注一下 ThreadPoolExecutor 。下面这个构造方法是参数最全的一个。

理解了这些参数，就很容易理解 Executors 中创建的几种线程池。当这几种线程池都不能满足需求的时候，我们直接可以通过 ThreadPoolExecutor 的构造方法来创建一个合适的线程池。那么，ThreadPoolExecutor 是怎么调度线程来执行任务的呢？

从 execute() 方法入手去理解。其中 ctl 只是一个原子操作的 int 型（AtomicInteger类）变量，但可以同时保存线程池状态和线程数量。我在另一篇文章中专门分析了这个 ctl 的实现。

如果线程数量小于核心线程数量，就创建新的线程来执行任务；不然就添加到任务队列中；如果添加到任务队列失败，就创建新的线程来执行；如果创建线程再失败（可能是线程池不再是RUNNING状态，或者线程数量已经达到了最大线程数量），就只能拒绝任务了。

上面说的线程，实际上都通过 Worker 来管理，每个 Worker 对象持有一个线程。而 Woker 实现了 Runable 接口，会在自己的管理的线程中来执行。Worker 的 run() 方法就是直接调用了 runWorker 这个方法。

如果在创建 Worker 时，就指定了一个任务，会先执行这个任务。后面就是循环，不断地从任务队列获取任务去执行。获取任务时，核心线程会一直等待获取到新的任务。而一般线程会设置一个超时时间，这个时间就是创建线程池时指定的 keepAliveTime。超时之后，就退出循环了，Worker 的使命完成，马上会被释放。有两点要补充一下：

1. 核心线程和一般线程没有区分，只是去 getTask 时，根据当前线程的数量是否大于核心线程数量来决定要不要一直等待。
2. 可以设置 allowCoreThreadTimeOut 为 true，让核心线程获取任务时也会超时。

现在我们基本上搞清楚了线程池是如何调度线程来执行任务的。再来回顾一下前面 Executors 中创建的几种线程池。

Executors中创建的CachedThreadPoollExecutor，是用的同步队列，只有当前有线程在等待任务时，才能加入，实际上也不在队列中管理，是直接扔给了执行线程去执行。所以CachedThreadPool中，当新任务到来时，如果线程数小于核心线程数，是直接创建，不然就看当前有没有在等待任务的线程，有就交给该线程执行，没有就创建一个新线程去执行。

Executors中创建的FixedThreadPoolExecutor和SingleThreadlExecutor，都是核心数量等于最大数量，且它们的任务队列是无限容量的。当新任务到来时，如果线程数小于核心线程数，创建新线程去执行，不然就加到任务队列中等待。

最后，研究一下 ScheduledThreadPoolExecutor 是怎么实现定时任务的。ScheduledThreadPoolExecutor 实现了 ScheduledExecutorService 接口中的 schedule 等方法。调用 schedule() 方法时，会把需要定时执行的任务打包在 ScheduledFutureTask 对象中，然后加入到等待执行的队列中去。

ScheduledThreadPoolExecutor 中用 DelayedWorkQueue 来管理等待执行的任务。添加时，会根据执行时间，把任务排到队列中合适的位置，保证队列中的任务按执行时间先后排列。取出时，取队列头部的任务，如果队列头部没有任务，或者任务的执行时间还没到，就要等待。

delayedExecute() 方法中，先把任务加入到任务队列中，然后调用 ensurePrestart() 方法去启动一个新线程（线程数量小于限定的核心线程数量才会启动新线程）。这个线程就会去队列中等待任务，任务队列会在任务执行时间到时返回任务给线程去执行。这样就实现了定时任务的执行。

4. 从任务中产生返回值

前面我们用 Runable 来定义任务，但是 Runable 执行完成后不会有返回值。当需要返回值时，可以实现 Callable 接口。Callable 需要通过 ExecutorService 中声明的 submit() 方法去执行。

下面举一个计算年级平均分的例子。为了简化，假定每个班学生人数都是50人。为了计算年级平均分，要让各班去计算各自的总分。每个班计算总分的过程用 Callable 去执行。

submit() 方法会返回 Future 对象。可以用 get() 方法去获取执行结果，get() 方法会一直阻塞，直到 Callable 执行完成返回结果。如果不希望阻塞，可以先用 isDone() 方法查询是否执行完成。也使用带超时时间参数的 get() 方法。注意到 get() 方法会抛出两种异常：InterruptedException 和 ExecutionException 。其中，InterruptedException 是调用 Future 对象的 cancel() 方法去取消任务时，可能会中断线程而抛出的异常。而 ExecutionException ，是执行任务过程中的异常。因为，Callable 的 call() 方法是会抛出异常的，这个异常会被封装到 ExecutionException 中抛出。

5. 休眠

当我们需要任务暂停一段时间，可以使用线程的 sleep() 方法。在线程休眠过程中，可能会有其他线程尝试中断当前线程，这时 sleep() 方法会抛出 InterruptedException ，结束休眠。我们可以在 catch 到中断异常之后，选择尽快结束当前线程的执行任务，当然也可以忽略，选择继续执行。

6. 优先级

线程的优先级表示线程的重要性，线程调度器倾向于让优先级高的线程先执行。可以用 Thread 的 getPriority() 方法读取线程的优先级，通过 setPriority() 方法可以修改线程的优先级。目前 Java 中的线程是映射到底层操作系统的线程，通过底层操作系统来实现的。所以优先级也被映射到底层操作系统中的线程优先级。但是，不同操作系统的优先级级别数量、策略都有所不同，Java 中的 10 个优先级并不能映射得很好。Thinking in Java 书上建议，调整优先级时，只使用 MAX_PRIORITY、NORM_PRIORITY 和 MIN_PRIORITY 三种级别。由于不同操作系统的线程调度策略不一样，因此我们在开发时不应该依赖于线程的执行顺序。

7. 让步

通过 Thread 的 yield() 方法，可以给线程调度器一个建议：当前线程的工作告一段落，可以让出 CPU 给其他线程使用了。当然，这只是一个建议，没有任何机制能保证它一定被采纳。所以，我们在开发时也不应该依赖于 yield() 方法。

8. 后台线程

后台（daemon）线程，也有叫守护线程的。关于后台线程需要了解的主要有三点：

• 当所有非后台线程结束，程序也就会结束，所有的后台进程都被杀死。因此，不要把必须执行的任务放到后台线程中。
• 通过 setDaemon(true) 可以把线程标记为后台线程。这个方法要在线程开始运行之前调用，不然会抛出异常。
• 后台线程中创建的线程会被自动设成后台线程。原理是线程初始化的时候会获取当前线程的 daemon ，来设置自己的 daemon 。

下面看一个使用后台线程的例子。

9. join

一个线程如果要等待另一个线程执行完成，可以调用另一个线程的 join() 方法。调用 join() 方法之后，当前线程将被挂起，等待另一个线程执行结束。join() 方法也有一个带等待时间参数的重载版本，等待时间到了后，不管等待的线程是否执行完成都会返回。来看一个使用 join() 方法的例子。

在上面的例子中，sleeper 休眠 10 秒，而 joiner 会一直等待 sleeper 执行完成。注意，join() 方法和 sleep() 方法一样会抛出中断异常。也就是说，线程在等待时，也可以通过调用 interrupt 方法去中断它。

来看一下 join() 方法的实现。

实际上就是调用了线程对象的 wait() 方法。循环判断线程是否执行结束，没结束就继续 wait()。如果设置了超时时间的话，会在时间到了之后结束 wait()，退出循环。按照注释中的说法，Thread 对象在 terminate 的时候，会调用 notifyAll() 。这样，wait() 方法就能返回，join() 方法也就执行完了。为什么需要设个循环去判断 isAlive() 呢，因为我们有可能在程序的其他地方去调用被等待的线程对象的 notify() 和 notifyAll() 方法。如果没有循环的，join() 就会直接返回，不会等到线程执行结束了。

测试在其他地方调用被等待的线程的 notify() 方法时，还发现调用一个对象的 wait()、notify()、notifyAll() 等方法都需要先成为这个对象的 monitor 所有者，不然会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。成为一个对象的 monitor 所有者有三种方法：

• 在这个对象的 synchronize 的方法中
• 在 synchronize 这个对象的代码块中
• 如果这个对象是 Class 类的对象，可以在类的静态的 synchronize 的方法中

其实三种方法本质上都是一样的，就是在调用 wait()、notify() 方法之前，得先对对象做 synchronize 。前面两种就不用说了。第三种方法，由于 Class 类的特殊性，类的静态的 synchronize 的方法，实际上就是对 Class 对象做的 synchronize。

10. 线程组

ThreadGroup ，这个东西没太大作用。看了书和很多资料，都说没什么意义。看了 ThreadGroup 类的源码，就是持有一个线程数组和一个线程组数组，方便进行统一操作，比如：interrupt() 方法。除此之外，还能通过 activeCount() 方法获取一下线程组内的线程数量。有些作用的是，ThreadGroup 可以对线程运行中没有被捕获的异常做处理。

11. 捕获异常

由于线程的特性，我们无法捕获从线程中逃逸的异常。一旦异常逃出任务的 run() 方法，就会向外传播 。我们需要用特殊的方式捕获线程中逃出的异常。在 Java 1.5 以前只能用线程组来捕获，在 1.5 版本之后，就有更好的方式可以处理了。

在上面的示例中，我们执行了一个会抛出异常的任务，并尝试用 try catch 去捕获异常，很显然，这是没有作用的，因为异常是在新的线程中抛出的。那么，我们改怎么去捕获这种异常呢？Java 1.5 引入了一个新的接口 Thread.UncaughtExceptionHandler，我们可以给线程设置一个异常处理器，去处理没有被捕获的异常。

这里我们使用了 HandlerThreadFactory 来创建线程，通过调用 Thread 的成员方法 setUncaughtExceptionHandler() 给每个线程设置了 UncaughtExceptionHandler 。线程运行中没有被捕获的异常，会被扔给 UncaughtExceptionHandler 来处理，而不会向外传递。

进一步研究，看异常是怎么被传到处理器中的。先看 Thread 类中的 dispatchUncaughtException() 方法，这个方法是由 JVM 去调用的。之前的流程应该就是线程执行任务后，有没捕获的异常，然后 JVM 调用线程的 dispatchUncaughtException() 方法来处理异常。然后，获取异常处理器，把异常交给异常处理器的 uncaughtException() 方法。如果该线程对象设置了异常处理器，就用自身的，否则就交给线程组处理（ThreadGroup 也实现了 UncaughtExceptionHandler 接口）。

线程组中的处理流程是：首先找父线程组的处理方法；其次找线程中设置的默认异常处理器；都找不到就直接打印异常堆栈。

总结一下，线程执行中没捕获的异常优先扔给线程对象中设置的异常处理器，其次给线程组，如果都没处理，会看是否设置了 Thread 类的默认异常处理器。

看到这里，我产生了一个疑问，按照这种机制，没捕获的异常最多是打个错误信息，而不会导致程序 crash 。那么，为什么在 android 中，异常会导致应用 crash 呢。原来，Android 在所有进程启动时，都给 Thread 设置了 defaultUncaughtExceptionHandler ，遇到异常时会让应用 crash 。想了解更多内容，请看这篇文章 理解Android Crash处理流程 。

12. 结语

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