零基础学Java多线程：探讨理解多线程生命周期！

bug菌
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环境说明：Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8

前言

  只要是科班出身的同学都清楚地知道，在计算机科学领域，多线程它是极为常见的概念，比如线程与进程等基本概念，二者之间有何区别，这都不言而喻了吧。在计算机科学的世界里，多线程编程是一种强大的技术，它允许我们同时执行多个任务，就像一个熟练的厨师能够一边炒菜一边照顾汤锅一样。Java语言，因其在多线程方面的出色支持，成为了实现这种并发性的理想选择。对于多线程，我们在上一章节就讲过了，它可以同时执行多个任务，提高我们开发的程序性能和响应速度。而且Java作为一门广泛使用的开发语言，对多线程提供了强有力的支持。即，本篇文章我们将重点介绍线程的一个新知识点--生命周期，以及实际中我们需要如何使用多线程来实现并发开发。本文将带领大家深入了解Java多线程的奥秘，从基本概念到实际应用，一步步揭开多线程编程的神秘面纱。

摘要

  在本文中，我们将聚焦于Java多线程的基础知识和应用实践。无论你是编程新手还是有经验的开发者，理解多线程的原理和应用都是提升编程技能的关键。我们将通过实际案例，详细解析如何在Java中创建和管理线程，以及如何利用多线程提高程序的性能和响应速度。本文旨在帮助零基础的小白同学了解多线程的概念和原理，以及如何在Java中利用多线程进行并发编程，同时也帮助初学者及时温习相关知识点，以免只停留在会用但不懂其原理的层面上。我会通过深入通过案例分析和实际应用场景案例，完整的带着同学们学习并掌握多线程编程的基本原则和技巧。

概述

  多线程编程模型让多个线程可以并行执行，每个线程都拥有自己的执行路径和资源。Java为线程的创建和管理提供了丰富的API，使得开发者可以轻松地实现多线程程序。我们将探讨线程的生命周期，从创建到终止的每个阶段，以及Java如何帮助我们管理这些线程。既然大家都清楚，对于多线程而言，它是指同时执行多个线程的并发编程模型，而且每个线程都是独立的执行路径，拥有自己的堆栈和程序计数器，线程之间则是通过共享的内存进行通信和协调。所以为什么说Java对多线程提供了强有力的支持，这里就提一嘴，它提供了丰富的API和工具来管理线程的生命周期、同步访问共享资源、处理线程间的通信等，开发语言就已经为某些场景做好了预备工作。

何为线程的生命周期？

  首先，我们需要搞清楚一个概念，何为线程的生命周期？跟人一样？生老病死？其实也差不多，那么生命周期究竟有哪些？对于线程而言，线程的生命周期包括新建、就绪、运行、阻塞、等待、超时等待和终止等状态。每个状态都代表了线程在生命周期中的一个特定阶段。理解这些状态及其转换对于编写正确的多线程程序至关重要。对于Java线程，这些状态就组成了线程的生命周期。不着急，接着往下看，我会把它的每种状态都梳理的清晰，大家请看，线程的生命周期包括以下几个阶段：

  1. 新建（New）：线程被创建但还未启动。
  2. 就绪（Runnable）：线程可以被执行，但还没有分配到CPU时间片。
  3. 运行（Running）：线程正在执行。
  4. 阻塞（Blocked）：线程暂时停止执行，等待某些条件的满足。
  5. 等待（Waiting）：线程等待其他线程的通知，直到被唤醒。
  6. 超时等待（Timed Waiting）：线程等待其他线程的通知，但有一个超时时间。
  7. 终止（Terminated）：线程已经执行完毕或因异常退出。

  如下我绘画了一个生命周期简意图，方便大家一目了然了解其生命周期的前后顺序及如何使用，仅供参考。

  如上图，其实远不止这么简单，我只是大概示意，如果想对这块的内容，针对学习，这里我可以给大家一个学习大纲，按照如下学习步骤，一步一步梳理，就可以把其啃透的。

  • 新建状态（New）
    • 创建线程对象的步骤
    • 示例代码
  • 就绪状态（Runnable）
    • 调用 start() 方法
    • 就绪状态的定义和工作原理
  • 运行状态（Running）
    • 线程从就绪状态到运行状态的转变
    • CPU调度线程执行
  • 阻塞状态（Blocked）
    • 线程进入阻塞状态的原因
    • 常见的阻塞情况（如等待I/O、等待锁）
  • 等待状态（Waiting）
    • 使用 wait(), join(), sleep() 进入等待状态
    • 等待状态的特点和恢复方式
  • 计时等待状态（Timed Waiting）
    • 使用带超时的 wait(), join(), sleep()
    • 计时等待状态的特点和应用场景
  • 终止状态（Terminated）
    • 线程完成执行或异常退出
    • 终止状态的特点

  这个大纲涵盖了多线程生命周期的各个方面，给大家提供了全面系统的学习路径。每个部分都可以深入研究和实践，以掌握多线程编程的核心知识，如果只是恶补某一块知识点，则可以有选择的学。

  接下来，我将结合生活中的一个真实场景来解读何为多线程的生命周期，具有很好的学习效果。

  首先，大家无妨想象一下，一个生产者-消费者模型。生产者就像是后台的道具制作团队，不断地制作道具（数据）。消费者则是前台的演员，他们需要这些道具来进行表演。通过wait()和notify()，道具制作团队和演员之间的协作变得井井有条。

应用场景案例

  在Web服务器中，每个客户端请求就像是观众的掌声，请求处理就像是演员的表演。多线程就像是多个演员同时在不同的舞台上表演，满足更多观众的需求。譬如如上理解，你们还能它能应用在哪些场景上么？

  如下是我归纳的一些常见场景，以示了解。

  1. 并行计算：比如将一个大任务拆分为多个小任务，利用多线程同时进行计算。
  2. 网络编程：比如比如处理多个客户端的请求，每个请求可以在一个独立的线程中处理。
  3. 图像处理：比如对一张图片进行多种滤镜处理，每个滤镜可以在一个独立的线程中处理。
  4. 游戏开发：比如处理用户的输入和游戏逻辑，可以通过多线程实现游戏的流畅运行。
  5. 数据库操作：比如通过多线程可以提高数据库查询和更新的效率。

  相信大部分同学貌似都有些的场景没接触过，不过没关系，这里大家只做了解，不做深入，毕竟精力是有限的，而有一个共同点，这些场景，使用多线程可达到事半功倍。

例如如下代码演示：

public class ThreadExample extends Thread {
    public void run() {
        // 线程执行的代码
        System.out.println("我是演员，正在表演！");
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadExample thread = new ThreadExample();
        thread.start(); // 导演一声令下，演员开始表演
    }
}

  在这个例子中，ThreadExample就像是演员，它在导演的召唤下开始表演。

执行结果如下：

image.png

优缺点

  大花白总结就是，多线程就像是戏剧中的多角色协作，它可以让戏剧更加丰富多彩，但同时也需要更多的协调和管理，避免混乱。

类方法介绍

  Java提供了许多类和方法来支持多线程编程，包括Thread类、Runnable接口以及用于线程控制和管理的方法，如start()、join()、sleep()等，这些方法就像是导演的指挥棒，用来控制演员的表演节奏。比如sleep()可以让演员暂时休息，join()则是等待其他演员的表演结束。这些工具是多线程编程的基础，通过它们，你可以更有效地控制线程的行为。

  在多线程编程中，Java提供了一些常用的类和方法来管理线程的生命周期。下面我给大家梳理了些常用的类和方法介绍，展示如下：

  • Thread类：表示一个线程，可以通过继承该类来创建自定义的线程类。
  • Runnable接口：定义了一个线程的任务，可以通过实现该接口来创建线程任务。
  • start()方法：启动一个新的线程。
  • join()方法：等待线程结束。
  • sleep()方法：线程休眠一段时间。
  • yield()方法：暂停当前线程，让出CPU的时间片。
  • wait()方法：使线程等待其他线程的通知。
  • notify()方法：唤醒一个等待的线程。

  如上罗列，更多的也是希望大家能够主动去挖掘，学习这些方法的实现原理。

测试用例

  接下来，我们便直接上手，实操一遍，简单的过一下线程生命周期的几个环节。比如，我们可以写个测试用例，比如演员按照导演的安排，每一幕表演结束后休息一秒钟，然后再继续表演。

测试代码

  这里我就通过如上描述，给大家演示一下线程的基本使用，包括线程的创建、启动和休眠，示例代码如下：仅供参考。

/**
 * @Author bug菌
 * @Source 公众号：猿圈奇妙屋
 * @Date 2024-04-15 23:12
 */
public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println("线程运行：" + i);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        thread.start();
    }
}

测试结果

  根据如上的测试用例，作者在本地进行测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加其他的测试数据或测试方法，以便于进行熟练学习以此加深知识点的理解。

image.png

测试代码解析

  在本次的测试用例分析中，我将带领同学们深入探讨测试代码的每一个环节，确保每位同学都能够对测试过程有一个全面而深刻的理解。通过这种细致的讲解，我希望能够加强同学们对测试重要性的认识，并帮助大家更好地掌握测试技巧，最重要的是掌握本期的核心知识点，早日把它学会并运用到日常开发中去。

  如上案例代码是一个简单的多线程示例，展示了如何在Java中创建和启动一个线程，并使用sleep方法让线程暂停执行一定时间。下面是对这段代码的详细解读，希望能够帮助到基础薄弱的同学：

  1. 类定义：ThreadTest是一个公共类，它包含了一个主方法main。

  2. 注释：代码顶部的注释提供了作者、来源和日期信息。

  3. 线程创建：在main方法中，创建了一个Thread类的实例thread。这个线程是匿名内部类的形式，重写了run方法。

  4. 线程的run方法：在run方法中，有一个无限循环，循环五次（i < 5）。每次循环，都会打印出当前的循环次数i，并在打印后调用Thread.sleep(1000)，使线程暂停1000毫秒（1秒）。

  5. 异常处理：sleep方法可能会抛出InterruptedException，因此使用try-catch块来捕获这个异常，并打印堆栈跟踪。

  6. 线程启动：通过调用thread.start()，线程开始执行。这将导致run方法中的代码被异步执行。

  7. 主线程等待：尽管主线程（main方法所在的线程）启动了新线程，但它不会等待新线程完成。这意味着一旦新线程启动，主线程将继续执行，直到它自己的代码执行完毕。

  8. 输出结果：如果这段代码被执行，控制台将每隔一秒打印一次数字0到4，表示线程正在运行的循环次数。

  这个示例是理解Java多线程基础概念的一个很好的起点，包括线程的创建、启动、执行和同步，同时也是为了帮助大家能够深入理解多线程的生命周期，而不仅仅只是停留在表面。

小结

  在本篇文章中，我们深入探讨了Java多线程的生命周期，从基础概念到实际应用，我们一步步走进多线程。通过，我们理解了线程的生命周期，包括它的创建、就绪、运行、阻塞、等待、超时等待以及终止等状态。我们将线程比作戏剧中的角色，每个状态都对应着角色在舞台上的不同表演阶段，从而帮助大家更加直观地理解线程在程序中的行为。

  通过具体的代码示例和测试用例，我们实践了如何在Java中创建、启动和管理线程。我们学习了如何使用sleep方法来控制线程的休眠，以及如何通过异常处理来确保线程的健壮性。这些知识点不仅加深了我们对多线程的理解，也为我们日后在实际开发中应用多线程技术打下了坚实的基础。

总结

  多线程编程是Java开发中不可或缺的一部分，它关系到程序的性能和响应速度。通过本篇文章的学习，我们不仅掌握了多线程的基本概念和生命周期，还学会了如何在实际开发中应用这些知识。我们了解到，合理地使用多线程可以显著提升程序的并发处理能力，但同时也需要注意线程安全和资源同步等问题。

  在技术的道路上，学习永无止境。多线程编程领域充满了挑战和机遇，只有不断学习和实践，我们才能不断前进，成为一名真正的技术专家。希望本篇文章能够成为你技术探索旅程中的一盏明灯，照亮你前行的道路。

  最后，让我们以一句古语共勉：“学如逆水行舟，不进则退。”在技术的海洋中，只有不断学习和实践，才能乘风破浪，勇往直前。期待在技术的道路上与你再次相遇，共同探索更多的知识宝藏。下期文章，我们不见不散！

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