学习目标

  • 理解线程与多线程的基本概念
  • 掌握为什么要使用多线程编程的主要原因
  • 学习Java中实现多线程的两种基本方式
  • 创建并运行你的第一个多线程程序

1. 什么是线程与多线程

1.1 线程的概念

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，也是程序执行流的最小单位。简单来说，线程就是一个单独的执行路径，它可以独立执行特定的代码片段。

📌 提示： 可以把线程比作是一条流水线上的工人，每个工人负责完成自己的工作。多个线程就像多个工人同时工作，提高了效率。

在Java中，当我们运行一个Java程序时，JVM会创建一个主线程来执行main()方法。这个主线程就是程序默认的执行路径。

  1. package org.devlive.tutorial.multithreading.chapter01;
  3. /**
  4.  * 演示主线程的基本概念
  5.  */
  6. public class MainThreadDemo
  7. {
  8.     public static void main(String[] args)
  9.     {
  10.         // 获取当前线程（主线程）
  11.         Thread mainThread = Thread.currentThread();
  13.         // 打印主线程信息
  14.         System.out.println("当前执行的线程名称：" + mainThread.getName());
  15.         System.out.println("线程ID：" + mainThread.getId());
  16.         System.out.println("线程优先级：" + mainThread.getPriority());
  17.         System.out.println("线程是否为守护线程：" + mainThread.isDaemon());
  18.         System.out.println("线程状态：" + mainThread.getState());
  19.     }
  20. }

运行上面的代码，你会看到类似这样的输出：

  1. 当前执行的线程名称：main
  2. 线程ID：1
  3. 线程优先级：5
  4. 线程是否为守护线程：false
  5. 线程状态：RUNNABLE

1.2 多线程的概念

多线程是指在一个程序中同时运行多个线程，每个线程可以执行不同的任务，且线程之间可以并发执行。在传统的单线程程序中，任务是按顺序一个接一个地执行的，而在多线程程序中，多个任务可以看起来像是同时执行的。

📌 提示： 在单核CPU上，多线程通过时间片轮转实现”伪并行”；在多核CPU上，多线程可以实现真正的并行执行。

2. 为什么需要多线程编程

在实际开发中，多线程编程有很多优势：

2.1 提高CPU利用率

现代计算机通常有多个CPU核心，单线程程序只能使用一个核心，而多线程程序可以充分利用多核心资源，提高CPU的利用率。

2.2 提高程序响应性

在GUI应用程序中，如果所有操作都在一个线程中进行，那么当执行耗时操作时，整个界面会卡住无法响应用户操作。通过将耗时操作放在单独的线程中执行，可以保持界面的响应性。

2.3 更好的资源利用

当一个线程因为I/O操作（如读写文件、网络通信）而阻塞时，CPU可以切换到其他线程继续执行，提高整体的资源利用效率。

2.4 简化复杂问题的处理

有些问题天然适合使用多线程处理，比如服务器同时处理多个客户端请求，或者并行处理大量数据。

下面我们来看一个简单例子，直观感受单线程和多线程的区别：

  1. package org.devlive.tutorial.multithreading.chapter01;
  3. /**
  4.  * 单线程与多线程计算对比
  5.  */
  6. public class MultiThreadAdvantageDemo
  7. {
  8.     // 执行大量计算的方法
  9.     private static void doHeavyCalculation(String threadName)
  10.     {
  11.         System.out.println(threadName + " 开始计算...");
  12.         long sum = 0;
  13.         for (long i = 0; i < 3_000_000_000L; i++) {
  14.             sum += i;
  15.         }
  16.         System.out.println(threadName + " 计算完成，结果：" + sum);
  17.     }
  19.     public static void main(String[] args)
  20.     {
  21.         long startTime = System.currentTimeMillis();
  23.         // 单线程执行两次计算
  24.         System.out.println("===== 单线程执行 =====");
  25.         doHeavyCalculation("计算任务1");
  26.         doHeavyCalculation("计算任务2");
  28.         long endTime = System.currentTimeMillis();
  29.         System.out.println("单线程执行总耗时：" + (endTime - startTime) + "ms");
  31.         // 多线程执行两次计算
  32.         System.out.println("\n===== 多线程执行 =====");
  33.         startTime = System.currentTimeMillis();
  35.         // 创建两个线程分别执行计算任务
  36.         Thread thread1 = new Thread(() -> doHeavyCalculation("线程1"));
  37.         Thread thread2 = new Thread(() -> doHeavyCalculation("线程2"));
  39.         // 启动线程
  40.         thread1.start();
  41.         thread2.start();
  43.         // 等待两个线程执行完成
  44.         try {
  45.             thread1.join();
  46.             thread2.join();
  47.         }
  48.         catch (InterruptedException e) {
  49.             e.printStackTrace();
  50.         }
  52.         endTime = System.currentTimeMillis();
  53.         System.out.println("多线程执行总耗时：" + (endTime - startTime) + "ms");
  54.     }
  55. }

在多核CPU的电脑上运行这段代码，你会发现多线程执行的总时间明显少于单线程执行的总时间，这就是多线程并行计算的优势。

3. Java中实现多线程的两种基本方式

Java提供了两种基本的方式来创建线程：继承Thread类和实现Runnable接口。

3.1 继承Thread类

通过继承Thread类并重写其run()方法来创建一个新的线程类：

  1. package org.devlive.tutorial.multithreading.chapter01;
  3. /**
  4.  * 通过继承Thread类实现多线程
  5.  */
  6. public class ThreadExtendsDemo
  7. {
  8.     // 自定义线程类，继承Thread类
  9.     static class MyThread
  10.             extends Thread
  11.     {
  12.         private final String message;
  14.         public MyThread(String message)
  15.         {
  16.             this.message = message;
  17.         }
  19.         // 重写run方法，定义线程执行的任务
  20.         @Override
  21.         public void run()
  22.         {
  23.             // 打印信息，显示当前线程名称
  24.             for (int i = 0; i < 5; i++) {
  25.                 System.out.println(getName() + " 执行: " + message + " - 第" + (i + 1) + "次");
  27.                 try {
  28.                     // 线程休眠一段随机时间，模拟任务执行
  29.                     Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
  30.                 }
  31.                 catch (InterruptedException e) {
  32.                     e.printStackTrace();
  33.                 }
  34.             }
  35.             System.out.println(getName() + " 执行完毕!");
  36.         }
  37.     }
  39.     public static void main(String[] args)
  40.     {
  41.         System.out.println("程序开始执行...");
  43.         // 创建两个线程对象
  44.         MyThread thread1 = new MyThread("你好，世界");
  45.         MyThread thread2 = new MyThread("Hello, World");
  47.         // 设置线程名称
  48.         thread1.setName("线程1");
  49.         thread2.setName("线程2");
  51.         // 启动线程
  52.         thread1.start(); // 注意：不要直接调用run()方法
  53.         thread2.start();
  55.         // 主线程继续执行
  56.         for (int i = 0; i < 3; i++) {
  57.             System.out.println("主线程执行 - 第" + (i + 1) + "次");
  58.             try {
  59.                 Thread.sleep(500);
  60.             }
  61.             catch (InterruptedException e) {
  62.                 e.printStackTrace();
  63.             }
  64.         }
  66.         System.out.println("主线程执行完毕，但程序不会立即结束，因为还有其他线程在运行");
  67.     }
  68. }

⚠️ 重要： 启动线程必须调用start()方法，而不是直接调用run()方法。调用start()方法会创建一个新线程并使这个线程开始执行run()方法；而直接调用run()方法只会在当前线程中执行该方法，不会创建新线程。

3.2 实现Runnable接口

通过实现Runnable接口并实现其run()方法来创建一个任务，然后将该任务传递给Thread对象：

  1. package org.devlive.tutorial.multithreading.chapter01;
  3. /**
  4.  * 通过实现Runnable接口实现多线程
  5.  */
  6. public class RunnableImplDemo
  7. {
  8.     // 自定义任务类，实现Runnable接口
  9.     static class MyRunnable
  10.             implements Runnable
  11.     {
  12.         private final String message;
  14.         public MyRunnable(String message)
  15.         {
  16.             this.message = message;
  17.         }
  19.         // 实现run方法，定义任务执行的内容
  20.         @Override
  21.         public void run()
  22.         {
  23.             // 获取当前执行的线程
  24.             Thread currentThread = Thread.currentThread();
  26.             // 打印信息，显示当前线程名称
  27.             for (int i = 0; i < 5; i++) {
  28.                 System.out.println(currentThread.getName() + " 执行: " + message + " - 第" + (i + 1) + "次");
  30.                 try {
  31.                     // 线程休眠一段随机时间，模拟任务执行
  32.                     Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
  33.                 }
  34.                 catch (InterruptedException e) {
  35.                     e.printStackTrace();
  36.                 }
  37.             }
  38.             System.out.println(currentThread.getName() + " 执行完毕!");
  39.         }
  40.     }
  42.     public static void main(String[] args)
  43.     {
  44.         System.out.println("程序开始执行...");
  46.         // 创建两个Runnable对象
  47.         Runnable task1 = new MyRunnable("你好，世界");
  48.         Runnable task2 = new MyRunnable("Hello, World");
  50.         // 创建线程对象，并传入Runnable任务
  51.         Thread thread1 = new Thread(task1, "线程1");
  52.         Thread thread2 = new Thread(task2, "线程2");
  54.         // 启动线程
  55.         thread1.start();
  56.         thread2.start();
  58.         // 主线程继续执行
  59.         for (int i = 0; i < 3; i++) {
  60.             System.out.println("主线程执行 - 第" + (i + 1) + "次");
  61.             try {
  62.                 Thread.sleep(500);
  63.             }
  64.             catch (InterruptedException e) {
  65.                 e.printStackTrace();
  66.             }
  67.         }
  69.         System.out.println("主线程执行完毕，但程序不会立即结束，因为还有其他线程在运行");
  70.     }
  71. }

3.3 两种方式的比较

特点 继承Thread类 实现Runnable接口
代码结构 需要继承Thread类，Java不支持多继承，限制了类的扩展性 只需实现Runnable接口，可以继承其他类，更加灵活
资源共享 每个线程都是独立的对象，不方便在多个线程间共享数据 可以多个线程使用同一个Runnable对象，便于共享数据
耦合性 任务和线程高度耦合 任务和线程分离，解耦合
适用场景 简单的独立线程任务 需要共享数据或复用任务的场景

📌 提示： 在实际开发中，通常推荐使用实现Runnable接口的方式，因为它更加灵活，也符合设计原则中的”组合优于继承”原则。

3.4 使用Java 8 Lambda表达式简化Runnable实现

从Java 8开始，我们可以使用Lambda表达式大大简化Runnable的实现：

  1. package org.devlive.tutorial.multithreading.chapter01;
  3. /**
  4.  * 使用Lambda表达式简化多线程创建
  5.  */
  6. public class LambdaThreadDemo
  7. {
  8.     public static void main(String[] args)
  9.     {
  10.         System.out.println("程序开始执行...");
  12.         // 使用Lambda表达式创建Runnable实例
  13.         Runnable task1 = () -> {
  14.             Thread currentThread = Thread.currentThread();
  15.             for (int i = 0; i < 5; i++) {
  16.                 System.out.println(currentThread.getName() + " 执行: 你好，世界 - 第" + (i + 1) + "次");
  17.                 try {
  18.                     Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
  19.                 }
  20.                 catch (InterruptedException e) {
  21.                     e.printStackTrace();
  22.                 }
  23.             }
  24.             System.out.println(currentThread.getName() + " 执行完毕!");
  25.         };
  27.         // 再简化一点，直接在创建线程时使用Lambda表达式
  28.         Thread thread1 = new Thread(task1, "线程1");
  29.         Thread thread2 = new Thread(() -> {
  30.             Thread currentThread = Thread.currentThread();
  31.             for (int i = 0; i < 5; i++) {
  32.                 System.out.println(currentThread.getName() + " 执行: Hello, World - 第" + (i + 1) + "次");
  33.                 try {
  34.                     Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
  35.                 }
  36.                 catch (InterruptedException e) {
  37.                     e.printStackTrace();
  38.                 }
  39.             }
  40.             System.out.println(currentThread.getName() + " 执行完毕!");
  41.         }, "线程2");
  43.         // 启动线程
  44.         thread1.start();
  45.         thread2.start();
  47.         // 主线程继续执行
  48.         for (int i = 0; i < 3; i++) {
  49.             System.out.println("主线程执行 - 第" + (i + 1) + "次");
  50.             try {
  51.                 Thread.sleep(500);
  52.             }
  53.             catch (InterruptedException e) {
  54.                 e.printStackTrace();
  55.             }
  56.         }
  58.         System.out.println("主线程执行完毕，但程序不会立即结束，因为还有其他线程在运行");
  59.     }
  60. }

Lambda表达式使代码更加简洁，特别适合简单的Runnable实现。

4. 实战案例：创建并启动你的第一个线程

现在，让我们通过一个实战案例来综合运用所学知识。我们将创建一个模拟文件下载的程序，使用多线程同时下载多个文件。

  1. package org.devlive.tutorial.multithreading.chapter01;
  3. import java.text.SimpleDateFormat;
  4. import java.util.Date;
  5. import java.util.concurrent.TimeUnit;
  7. /**
  8.  * 多线程文件下载模拟器
  9.  */
  10. public class FileDownloaderDemo
  11. {
  12.     // 文件下载器，实现Runnable接口
  13.     static class FileDownloader
  14.             implements Runnable
  15.     {
  16.         private final String fileName;
  17.         private final int fileSize; // 模拟文件大小，单位MB
  19.         public FileDownloader(String fileName, int fileSize)
  20.         {
  21.             this.fileName = fileName;
  22.             this.fileSize = fileSize;
  23.         }
  25.         @Override
  26.         public void run()
  27.         {
  28.             System.out.println(getCurrentTime() + " - 开始下载文件：" + fileName + "（" + fileSize + "MB）");
  30.             // 模拟下载过程
  31.             try {
  32.                 for (int i = 1; i <= 10; i++) {
  33.                     // 计算当前下载进度
  34.                     int progress = i * 10;
  35.                     int downloadedSize = fileSize * progress / 100;
  37.                     // 休眠一段时间，模拟下载耗时
  38.                     TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(fileSize * 50);
  40.                     // 打印下载进度
  41.                     System.out.println(getCurrentTime() + " - " + Thread.currentThread().getName()
  42.                             + " 下载 " + fileName + " 进度: " + progress + "% ("
  43.                             + downloadedSize + "MB/" + fileSize + "MB)");
  44.                 }
  46.                 System.out.println(getCurrentTime() + " - " + Thread.currentThread().getName()
  47.                         + " 下载完成：" + fileName);
  48.             }
  49.             catch (InterruptedException e) {
  50.                 System.out.println(getCurrentTime() + " - " + Thread.currentThread().getName()
  51.                         + " 下载中断：" + fileName);
  52.                 Thread.currentThread().interrupt(); // 重设中断状态
  53.             }
  54.         }
  56.         // 获取当前时间的格式化字符串
  57.         private String getCurrentTime()
  58.         {
  59.             SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss.SSS");
  60.             return sdf.format(new Date());
  61.         }
  62.     }
  64.     public static void main(String[] args)
  65.     {
  66.         System.out.println("=== 文件下载模拟器 ===");
  68.         // 创建多个下载任务
  69.         FileDownloader task1 = new FileDownloader("电影.mp4", 200);
  70.         FileDownloader task2 = new FileDownloader("音乐.mp3", 50);
  71.         FileDownloader task3 = new FileDownloader("文档.pdf", 10);
  73.         // 创建线程执行下载任务
  74.         Thread thread1 = new Thread(task1, "下载线程-1");
  75.         Thread thread2 = new Thread(task2, "下载线程-2");
  76.         Thread thread3 = new Thread(task3, "下载线程-3");
  78.         // 启动线程，开始下载
  79.         thread1.start();
  80.         thread2.start();
  81.         thread3.start();
  83.         // 主线程监控下载进度
  84.         try {
  85.             // 等待所有下载线程完成
  86.             thread1.join();
  87.             thread2.join();
  88.             thread3.join();
  90.             System.out.println("\n所有文件下载完成！");
  91.         }
  92.         catch (InterruptedException e) {
  93.             System.out.println("主线程被中断");
  94.         }
  95.     }
  96. }

在这个实例中，我们模拟了三个不同大小文件的并行下载过程。通过使用多线程，这三个文件可以同时下载，而不需要等待一个文件下载完成后再开始下载下一个文件。join()方法使主线程等待所有下载线程完成后才结束程序。

常见问题与解决方案

问题1：Thread.sleep()方法抛出InterruptedException

问题描述： 为什么使用Thread.sleep()方法必须捕获InterruptedException异常？

解决方案： sleep()方法可能会被其他线程中断，此时会抛出InterruptedException。正确的处理方式是捕获异常并重设中断状态：

  1. try {
  2.     Thread.sleep(1000);
  3. } catch (InterruptedException e) {
  4.     // 记录日志或者执行必要的清理工作
  5.     Thread.currentThread().interrupt(); // 重设中断状态
  6. }

问题2：直接调用run()方法而不是start()方法

问题描述： 为什么直接调用run()方法不会创建新线程？

解决方案： 直接调用run()方法只是在当前线程中执行该方法，不会启动新线程。必须调用start()方法才能创建新线程并执行run()方法。

问题3：多线程执行顺序不确定

问题描述： 如何确保多个线程按特定顺序执行？

解决方案： 可以使用join()方法让一个线程等待另一个线程完成：

  1. Thread thread1 = new Thread(() -> {
  2.     // 线程1的任务
  3. });
  5. Thread thread2 = new Thread(() -> {
  6.     try {
  7.         thread1.join(); // 等待thread1完成
  8.         // 线程2的任务
  9.     } catch (InterruptedException e) {
  10.         Thread.currentThread().interrupt();
  11.     }
  12. });
  14. thread1.start();
  15. thread2.start();

小结

在这一章中，我们学习了以下核心内容：

  1. 线程概念： 了解了什么是线程，以及线程作为程序执行的最小单位的概念。

  2. 多线程优势： 掌握了为什么要使用多线程编程，包括提高CPU利用率、改善程序响应性、更好的资源利用以及简化复杂问题处理。

  3. 线程创建方式： 学习了Java中创建线程的两种基本方式：继承Thread类和实现Runnable接口，以及它们各自的优缺点。

  4. 简化线程创建： 了解了如何使用Java 8 Lambda表达式简化Runnable的实现。

  5. 实战应用： 通过一个文件下载模拟器的实例，综合应用了所学的多线程知识。

通过本章的学习，你已经具备了创建和启动Java线程的基本能力。在后续章节中，我们将深入探讨线程的生命周期、线程同步和安全等更高级的多线程编程主题。

记住一点：多线程编程是Java开发中的重要技能，但也是比较复杂的主题。掌握好基础概念和实践案例，是走向高级多线程编程的关键第一步。

在下一章，我们将详细介绍线程的生命周期和状态转换，帮助你更深入理解线程的工作机制。

本章节源代码地址为 https://github.com/qianmoQ/tutorial/tree/main/java-multithreading-tutorial/src/main/java/org/devlive/tutorial/multithreading/chapter01