【并发基础】Java中线程的创建和运行以及相关源码分析

目录

一、线程的创建和运行

1.1 创建和运行线程的三种方法

1.2 三者之间的继承关系

二、Thread类和Runnable接口的区别

2.1 Runnable接口可以实现线程之间资源共享，而Thread类不能

2.2 实现Runnable接口相对于继承Thread类的优点

三、实现 Runnable 接口和实现 Callable 接口的区别

四、Thread类和Runnable接口关于启动线程的源码解析

4.1 实现方法

4.2 Thread.start()方法源码分析

4.3 Runnable.run()方法源码分析

4.4 总结

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一、线程的创建和运行

1.1 创建和运行线程的三种方法

Java里的程序天生就是多线程的，那么有几种启动线程的方式？ 

Java 线程创建有3种方式：

1. 继承 Thread 类并且重写 run 方法
2. 实现 Runnable接口的 run 方法
3. 使用 Callable接口和FutureTask类方式

1.2 三者之间的继承关系

public class Thread implements Runnable {}

Thread类也是实现的Runnable接口。

单独说下 FutureTask 的方式，这种方式的本身也是实现了Runnable 接口的 run 方法，看它的继承结构就可以知道。

前两种方式都没办法拿到任务的返回结果，但是 Futuretask 方式可以。

由此我们知道了，其实这三种创建方法的根源，都是来源于Runnable接口，这三种方法往上层追溯都能追到Runnble接口。

二、Thread类和Runnable接口的区别

2.1 Runnable接口可以实现线程之间资源共享，而Thread类不能

实际上Thread类和Runnable接口之间在使用上也是有所区别的，如果一个类继承Thread类，就不适合于多个线程共享资源，而实现了Runnable接口，则可以方便的实现资源的共享。

由上文我们就可以知道，Thread类和Runnable接口最大的区别就是继承Thread类不能资源共享，而实现Runnable接口可以资源共享。 

为什么Runnable可以共享数据：

总结起来原因就是用Runnable接口的方法可以对两个不同的Thread类的构造方法传入相同的实现Runnable接口的对象，那么这两个不同的Thread线程类本质操控的是同一个Runnable接口的实现对象了，调用的也是同一个run()方法，自然这两个线程下就实现了共享同一个Runnable实现类中的数据了。

如果两个Thread类的构造方法传入不同的Runnable接口实现类，那么两个Thread线程对象操作的不是同一个Runnable实现类，两个线程也就不能共享数据了。

2.2 实现Runnable接口相对于继承Thread类的优点

可见，实现Runnable接口相对于继承Thread类来说，有如下显著的优势：

• 适合多个相同程序代码的线程去处理同一资源的情况。
• 可以避免由于Java的单继承特性带来的局限。
• 增强了程序的健壮性，代码能够被多个线程共享，代码与数据是独立的。
• 线程池只能放入实现 Runable 或 Callable 类线程，不能直接放入继承 Thread 的类

三、实现 Runnable 接口和实现 Callable 接口的区别

1. Runnable 是自从 java1.1 就有了，而 Callable 是 1.5 之后才加上去的
2. 实现 Callable 接口的任务线程能返回执行结果，而实现 Runnable 接口的任务线程不能返回结果
3. Callable 接口的 call()方法允许抛出异常，而 Runnable 接口的 run()方法的异常只能在内部消化，不能继续上抛
4. 加入线程池运行，Runnable 使用 ExecutorService 的 execute 方法，Callable 使用 submit 方法。注：Callable 接口支持返回执行结果，此时需要调用 FutureTask.get()方法实现，此方法会阻塞主线程直到获取返回结果，当不调用此方法时，主线程不会阻塞

四、Thread类和Runnable接口关于启动线程的源码解析

这里我们来讲一下Java中创建线程最经典的这两种方式，在底层源码是如何实现的。

4.1 实现方法

Java 中实现多线程有两种「基本方式」：继承 Thread 类和实现 Runnable 接口。从实现的编程手法来看，认为这是两种实现方式并无不妥。但是究其实现根源，这么讲其实并不准确。

其实多线程从根本上讲只有一种实现方式，就是实例化 Thread，并且提供其执行的 run 方法。无论你是通过继承 Thread还是实现 Runnable接口，最终都是重写或者实现了 run 方法。而你真正启动线程都是通过实例化 Thread，调用其 start 方法。

来看下两种不同实现方式的例子：

1. 继承 Thread 方式：

public class MyThread extends Thread {  public void run() {  System.out.println("MyThread.run()");  }  
}  
MyThread myThread1 = new MyThread();  
MyThread myThread2 = new MyThread();  
myThread1.start();  
myThread2.start();  

2. 实现 Runnable 方式

public class MyThread extends OtherClass implements Runnable {  public void run() {  System.out.println("MyThread.run()");  }  
} 
MyThread myThread = new MyThread();  
Thread thread = new Thread(myThread);  
thread.start(); 

第一种方式中，MyThread 继承了 Thread 类，启动时调用的 start 方法，其实还是他父类 Thread 的 start 方法。并最终触发执行 Student 重写的 run 方法。

第二种方式中，MyThread 实现 Runnable 接口，将MyThread对象作为参数传递给 Thread 构造函数。接下来还是调用了 Thread 的 start 方法。最后则会触发传入的 Runnable 实现类的 run 方法。

两种方式都是创建 Thread 或者 Thread 的子类，通过 Thread 的 start 方法启动。唯一不同是第一种 run 方法实现在 Thread 子类中。第二种则是把 run 方法逻辑转移到 Runnable 的实现类中。线程启动后，第一种方式是 thread 对象运行自己的 run 方法逻辑，第二种方式则是调用 Runnable 实现的 run 方法逻辑。

相比较来说，第二种方式是更好的实践，原因如下：

1. java 语言中只能单继承，通过实现接口的方式，可以让实现类去继承其它类。而直接继承 thread 就不能再继承其它类了；
2. 线程控制逻辑在 Thread 类中，业务运行逻辑在 Runnable 实现类中。解耦更为彻底；
3. 实现 Runnable 的实例，可以被多个线程共享并执行。而实现 thread 是做不到这一点的。

看到这里，你是不是很好奇，为什么程序中调用的是 Thread 的 start 方法，而不是 run 方法？为什么线程在调用 start 方法后会执行 run 方法的逻辑呢？接下来我们通过学习 start 方法的源代码来找到答案。

4.2 Thread.start()方法源码分析

Thread类的无参构造方法：

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

如果是直接创建Thread类对象，我们通过源码就能看出，传入到target是空。在这种情况下，我们需要在Thread的继承类中去覆写run()方法，这样在Thread类执行run()方法的时候，就是调用我们继承类中覆写的run()方法逻辑。

我们知道Thraed类的对象是不能直接调用run()方法的，那么它是如何调用run()方法的呢？下面我们接着来进行分析。

Thread类中start()方法源码：

public synchronized void start() {if (threadStatus != 0)throw new IllegalThreadStateException();    group.add(this);boolean started = false;try {        start0();        started = true;    } finally {try {if (!started) {                group.threadStartFailed(this);            }        } catch (Throwable ignore) {        }    }
}

这段代码足够简单，简单到没什么内容。主要逻辑如下：

1. 检查线程的状态，是否可以启动；
2. 把线程加入到线程 group 中；
3. 调用了 start0 () 方法。

可以看到 Start 方法中最终调用的是 start0()方法，并不是 run 方法。那么我们再看 start0 方法源代码：

private native void start0();

什么也没有，因为 start0 是一个 native 方法，也称为 JNI(Java Native Interface)方法。JNI 方法是 Java和其它语言交互的方式。同样也是 Java代码和虚拟机交互的方式，虚拟机就是由 C++ 和汇编所编写。

由于 start0 是一个 native 方法，所以后面的执行会进入到 JVM 中。那么 run 方法到底是何时被调用的呢？这里似乎找不到答案了。

难道我们错过了什么？回过头来我们再看看 Start 方法的注解。其实读源代码的时候，要先读注解，否则直接进入代码逻辑，容易陷进去，出不来。原来答案就在 start 方法的注解里，我们可以看到：

/* 
* Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine* calls the run method of this thread.* 
* The result is that two threads are running concurrently: the
* current thread (which returns from the call to the
* start method) and the other thread (which executes its
* run method).
*
*
* It is never legal to start a thread more than once.
* In particular, a thread may not be restarted once it has completed execution.
*/

最关键一句: the Java Virtual Machine calls the run method of this thread。由此我们可以推断出整个执行流程如下：

start 方法调用了 start0 方法，start0 方法在 JVM 中，start0 中的逻辑会调用 run 方法。

至此，我们已经分析清楚从线程创建到 run 方法被执行的逻辑。但是通过实现 Runnbale 的方式实现多线程时，Runnable 的 run 方法是如何被调用的呢？

4.3 Runnable.run()方法源码分析

我们先从 Thread 的构造函数入手。原因是 Runnable 的实现对象通过构造函数传入 Thread。

Thread类构造方法源码：

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

可以看到 Runnable 实现作为 target 对象传递进来。再次调用了 init 方法，init 方法有多个重载，最终调用的是Thread类中的如下方法：

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize) {Thread parent = currentThread();if (g == null) {g = parent.getThreadGroup();}g.addUnstarted();this.group = g;this.target = target;this.priority = parent.getPriority();this.daemon = parent.isDaemon();setName(name);init2(parent);/* Stash the specified stack size in case the VM cares */this.stackSize = stackSize;tid = nextThreadID();
}

此方法里有一行代码：

this.target = target;

 原来 target 是 Thread类的成员变量：

/* What will be run. */
private Runnable target;

此时，Thread 的 target 被设置为你实现业务逻辑的 Runnable 实现。

我们再看下Thread类的run 方法的代码：

@Override
public void run() {if (target != null) {        target.run();    }
}

看到这里是不是已经很清楚了，当你传入了 target时（target不为null），在执行Thread类的run()方法时其实会调用执行 target 的 run 方法。也就是执行你实现业务逻辑的方法，我们需要在实现Runnable接口的类中实现Runnable接口的run()方法。整体执行流程如下：

如果你是通过继承 Thread，重写 run 方法的方式实现多线程。那么在上图中的第三步执行的就是你重写的 run 方法。

我们回过头看看 Thread 类的定义：

public class Thread implements Runnable

原来 Thread 也实现了 Runnable 接口。怪不得 Thread 类的 run 方法上有 @Override 注解。所以继承 Thread类实现多线程，其实也相当于是实现 Runnable 接口的 run 方法。只不过此时，不需要再传入一个 Thread 类去启动。它自己已具备了 Thread 的功能，自己就可以运转起来。既然 Thread 类也实现了 Runnable 接口，那么 Thread 子类对象是不是也可以传入另外的 Thread 对象，让其执行自己的 run 方法呢？答案是可行的。

4.4 总结

以上对多线程的两种实现方式做了分析。在学习多线程的同时，我们也应该学习源代码中优秀的设计模式。Java 中多线程的实现采用了模板模式。Thread 是模板对象，负责线程相关的逻辑，比如线程的创建、运行以及各种操作。而线程真正的业务逻辑则被剥离出来，交由 Runnable 的实现类去实现。线程操作和业务逻辑完全解耦，普通开发者只需要聚焦在业务逻辑实现。

执行业务逻辑，是 Thread 对象的生命周期中的重要一环。这一步通过调用传入 Runnable 的 run 方法实现。Thread 线程整体逻辑就是一个模板，把其中一个步骤剥离出来由其他类实现，这就是模板模式。

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