Вступление

Многопоточность в Java заложена была с самых первых дней. Поэтому давайте кратко ознакомимся с тем, про что это — многопоточность. Возьмём за точку отсчёта официальный урок от Oracle: "Lesson: The "Hello World!" Application". Код нашего Hello World приложения немного изменим на следующий:
class HelloWorldApp {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, " + args[0]);
    }
}
args — это массив входных параметров, передаваемых при запуске программы. Сохраним данный код в файл с именем, совпадающим с именем класса и с расширением .java. Скомпилируем при помощи утилиты javac: javac HelloWorldApp.java После этого вызовем наш код с каким-нибудь параметром, например Roger: java HelloWorldApp Roger
Наш код сейчас имеет серьёзный изъян. Если не передать никакой аргумент (т.е. выполнить просто java HelloWorldApp), то мы получим ошибку:
Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 0
        at HelloWorldApp.main(HelloWorldApp.java:3)
Возникло исключение (т.е. ошибка) в thread (в потоке) с именем main. Получается, в Java есть какие-то потоки? Отсюда начинается наш путь.

Java и потоки

Чтобы разобраться, что такое поток, надо понять, как происходит запуск Java приложения. Давайте изменим наш код следующим образом:
class HelloWorldApp {
    public static void main(String[] args) {
		while (true) {
			//Do nothing
		}
	}
}
Теперь давайте скомпилируем это снова при помощи javac. Далее запустим наш Java код в отдельном окне для удобства. В Windows это можно сделать так: start java HelloWorldApp Теперь при помощи утилиты jps посмотрим, какую информацию нам сообщит Java:
Первое число — это PID или Process ID, идентификатор процесса. Что такое процесс?
Процесс — это совокупность кода и данных, разделяющих общее виртуальное адресное пространство.
При помощи процессов выполнение разных программ изолировано друг от друга, когда каждое приложение используют свою область памяти, не мешая другим программам. Более подробно советую ознакомиться в статье: "Многопоточность в Java". Процесс не может существовать без потоков, поэтому если существует процесс, то в нём существует хотя бы один поток. Как же это происходит в Java? Когда мы запускаем java программу, то выполнение начинается с метода main. Мы как бы входим в программу, поэтому этот особый метод main называется точкой входа в программу или термином "entry point". Метод main всегда должен быть public static void main, чтобы виртуальная машина Java (JVM) смогла начать выполнение нашей программы. Подробнее см. "Why is the Java main method static?". Получается, что java launcher (java.exe или javaw.exe) — это простое приложение (simple C application), которое загружает различные DLL, которые на самом деле являются JVM. Java launcher выполняет определённый набор Java Native Interface (JNI) вызовов. JNI - это такой механизм, соединяющий мир виртуальной машины Java и мир C++. Получается, что launcher не является JVM, а является её загрузчиком. Он знает, какие правильные команды нужно выполнить, чтобы запустилась JVM. Знает, как организовать всё необходимое окружение при помощи JNI вызовов. В эту организацию окружения входит и создание главного потока, который обычно имеет имя main. Чтобы наглядней увидеть, какие живут потоки в java процессе, используем программу jvisualvm, которая входит в поставку JDK. Зная pid процесса, мы можем открыть данные сразу по нему: jvisualvm --openpid айдипроцесса
Интересно, что каждый поток имеет свою обособленную область в памяти, выделенной для процесса. Эту структуру памяти называют стеком. Стек состоит из фрэймов. Фрэйм представляет из себя точку вызова метода, execution point. Так же фрэйм может быть представлен как StackTraceElement (см. Java API для StackTraceElement). Подробнее про память, выделяемую каждому потоку можно прочитать тут: "Как Java (JVM) выделяет стек для каждого потока". Если посмотреть на Java API и поискать там слово Thread, то мы увидим, что есть класс java.lang.Thread. Именно этот класс представляет в Java поток и с ним нам и предстоит работать.

java.lang.Thread

Поток в Java представлен в виде экземпляра класса java.lang.Thread. Стоит сразу понимать, что экземпляры класса Thread сами по себе не являются потоками, а лишь являются своего рода API для низкоуровневых потоков, которыми управляет JVM и операционная система. Когда при помощи java launcher'а мы запускаем JVM, то она создаст главный поток с именем main и ещё несколько служебных потоков. Как сказано в JavaDoc класса Thread: When a Java Virtual Machine starts up, there is usually a single non-daemon thread Существует 2 типа потоков: демоны и не демоны. Демон потоки - это фоновые потоки (служебные), выполняющие какую-то работу в фоне. Такой интересный термин - это отсылка к "демону Максвелла", о чём подробнее можно прочитать в википедии в статье про "демонов". Как сказано в документации, JVM продолжает выполнение программы (процесса), до тех пор, пока:
  • Не вызван метод Runtime.exit
  • Все НЕ демон потоки завершили свою работу (как без ошибок, так и с выбрасыванием исключений)
Отсюда и важная деталь: демон потоки могут быть завершены на любой выполняемой команде. Поэтому, целостность данных в них не гарантируется. Поэтому, демон потоки подходят для каких-то служебных задач. Например, в Java есть поток, который отвечает за обработку методов finalize или потоки, относящиеся к сборщику мусора (Garbage Collector, GC). Каждый поток входит в какую-то группу (ThreadGroup). А группы могут входит друг в друга, образовывая некоторую иерархию или структуру.
public static void main(String []args){
	Thread currentThread = Thread.currentThread();
	ThreadGroup threadGroup = currentThread.getThreadGroup();
	System.out.println("Thread: " + currentThread.getName());
	System.out.println("Thread Group: " + threadGroup.getName());
	System.out.println("Parent Group: " + threadGroup.getParent().getName());
}
Группы позволяют упорядочить управление потоками и вести их учёт. Помимо групп потоки имеют свой обработчик исключений. Взглянем на пример:
public static void main(String []args) {
	Thread th = Thread.currentThread();
	th.setUncaughtExceptionHandler(new Thread.UncaughtExceptionHandler() {
		@Override
		public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
			System.out.println("Возникла ошибка: " + e.getMessage());
		}
	});
    System.out.println(2/0);
}
Деление на ноль вызовет ошибку, которая будет перехвачена обработчиком. Если обработчик не указывать самому, то будет работать реализация обработчика по умолчанию, которая будет в StdError выводить стэк ошибки. Подробнее можно прочитать в обзоре "Обработчик неперехваченных исключений Java". Кроме того, у потока есть приоритет. Подробнее про приоритеты можно прочитать в статье "Java Thread Priority in Multithreading".

Создание потока

Как и сказано в документации, у нас 2 способа создать поток. Первый - создать своего наследника. Например:
public class HelloWorld{
    public static class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Hello, World!");
        }
    }

    public static void main(String []args){
        Thread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}
Как видим, запуск задачи выполняется в методе run, а запуск потока в методе start. Не стоит их путать, т.к. если мы запустим метод run напрямую, то никакой новый поток не будет запущен. Именно метод start просит JVM создать новый поток. Вариант с потомком от Thread плох уже тем, что мы в иерархию классов включаем Thread. Второй минус — мы начинаем нарушать принцип "Единственной ответственности" SOLID, т.к. наш класс становится одновременно ответственным и за управление потоком и за некоторую задачу, которая должна выполняться в этом потоке. Как же правильно? Ответ находится в том самом методе run, который мы переопределяем:
public void run() {
	if (target != null) {
		target.run();
	}
}
Здесь target — это некоторый java.lang.Runnable, который мы можем передать для Thread при создании экземпляра класса. Поэтому, мы можем сделать так:
public class HelloWorld{
    public static void main(String []args){
        Runnable task = new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println("Hello, World!");
            }
        };
        Thread thread = new Thread(task);
        thread.start();
    }
}
А ещё Runnable является функциональным интерфейсом начиная с Java 1.8. Это позволяет писать код задач для потоков ещё красивее:
public static void main(String []args){
	Runnable task = () -> {
		System.out.println("Hello, World!");
	};
	Thread thread = new Thread(task);
	thread.start();
}

Итого

Итак, надеюсь, из сего повестования понятно, что такое поток, как они существуют и какие базовые операции с ними можно выполнять. Уже есть материалы про Thread, но надеюсь. В следующей части стоит разобраться, как потоки взаимодействуют друг с другом и какой у них жизненный цикл. На JavaRush есть ограничение по объёму. #Viacheslav