《基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式的Java程序設(shè)計(jì)》課件第七章

第一節(jié)線程的概念線程，有時(shí)被稱(chēng)為輕量級(jí)進(jìn)程(LightweightProcess，LWP)，是程序執(zhí)行流的最小單元。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線程由線程ID、當(dāng)前指令指針(PC)、寄存器集合和堆棧組成。另外，線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有運(yùn)行中必需的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤消另一個(gè)線程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運(yùn)行中呈現(xiàn)出間斷性。線程也有就緒、阻塞和運(yùn)行三種基本狀態(tài)。每一個(gè)程序至少有一個(gè)線程，若程序只有一個(gè)線程，那就是程序本身。第一節(jié)線程的概念以前古老的DOS操作系統(tǒng)(V6.22)是單任務(wù)的，還沒(méi)有線程的概念，系統(tǒng)在每次只能做一件事情。比如在復(fù)制文件的時(shí)候就不能重命文件名。為了提高系統(tǒng)的利用效率，采用批處理來(lái)批量執(zhí)行任務(wù)。第一節(jié)線程的概念一、線程、進(jìn)程和多任務(wù)現(xiàn)在的操作系統(tǒng)都是多任務(wù)操作系統(tǒng)，每個(gè)運(yùn)行的任務(wù)就是操作系統(tǒng)所做的一件事情，比如在聽(tīng)歌的同時(shí)還在用MSN和好友聊天。聽(tīng)歌和聊天就是兩個(gè)任務(wù)，這個(gè)兩個(gè)任務(wù)是“同時(shí)”進(jìn)行的。一個(gè)任務(wù)一般對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)程，也可能包含好幾個(gè)進(jìn)程。比如運(yùn)行的MSN就對(duì)應(yīng)一個(gè)MSN的進(jìn)程，如果用戶(hù)使用的是Windows系統(tǒng)，就可以在任務(wù)管理器中看到操作系統(tǒng)正在運(yùn)行的進(jìn)程信息。第一節(jié)線程的概念一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序的時(shí)候，就啟動(dòng)了一個(gè)進(jìn)程，當(dāng)然有些會(huì)啟動(dòng)多個(gè)進(jìn)程。啟動(dòng)進(jìn)程的時(shí)候，操作系統(tǒng)會(huì)為進(jìn)程分配資源，其中最主要的資源是內(nèi)存空間，因?yàn)槌绦蚴窃趦?nèi)存中運(yùn)行的。在進(jìn)程中，有些程序流程塊是可以亂序執(zhí)行的，并且這個(gè)流程塊可以同時(shí)被多次執(zhí)行。實(shí)際上，這樣的流程塊就是線程體。線程是進(jìn)程中亂序執(zhí)行的代碼流程。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行的時(shí)候，這樣的執(zhí)行模式就成為并發(fā)執(zhí)行。第一節(jié)線程的概念線程與進(jìn)程的比較如下：(1)進(jìn)程：每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的代碼和數(shù)據(jù)空間(進(jìn)程上下文)，進(jìn)程切換的開(kāi)銷(xiāo)大。(2)線程：即輕量的進(jìn)程，同一類(lèi)線程共享代碼和數(shù)據(jù)空間。每個(gè)線程有獨(dú)立的運(yùn)行棧和程序計(jì)數(shù)器(PC)，線程切換的開(kāi)銷(xiāo)小。(3)多進(jìn)程：在操作系統(tǒng)中能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)程序。(4)多線程：在同一應(yīng)用程序中有多個(gè)順序流同時(shí)執(zhí)行。第一節(jié)線程的概念多線程機(jī)制是Java語(yǔ)言的又一重要特征，使用多線程技術(shù)可以使系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)執(zhí)行體，這樣可以加快程序的響應(yīng)時(shí)間，提高計(jì)算機(jī)資源的利用率。使用多線程技術(shù)可以提高整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的性能。在Java中，創(chuàng)建線程有兩種方法：一種是通過(guò)創(chuàng)建Thread類(lèi)的子類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一種是通過(guò)實(shí)現(xiàn)Runnable接口的類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一節(jié)線程的概念二、Java中的多線程第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)從Thread類(lèi)繼承是創(chuàng)建一個(gè)線程較為簡(jiǎn)便的方法。在繼承這個(gè)類(lèi)之后，我們需要覆蓋它的run方法，每一個(gè)線程都會(huì)分別執(zhí)行一次run方法。第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)一、從Thread類(lèi)繼承下面程序是一個(gè)多線程的實(shí)例。在這個(gè)程序中有兩個(gè)線程，每個(gè)線程都會(huì)執(zhí)行一次run方法，但是兩個(gè)線程執(zhí)行的順序并不固定，因此，輸出誰(shuí)先誰(shuí)后都是隨機(jī)的。程序后面是某一次運(yùn)行的輸出(注意每次運(yùn)行都會(huì)不同)。注意，創(chuàng)建線程后，start方法用于啟動(dòng)線程。第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)【示例7.1】通過(guò)繼承類(lèi)Thread構(gòu)造線程體。classSimpleThreadextendsThread{publicSimpleThread(Stringstr){super(str)；}publicvoidrun(){//重寫(xiě)run方法for(inti=0；i<10；i++){//打印次數(shù)和線程的名字第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)System.out.println(i+""+getName())；try{//線程睡眠把控制權(quán)交出去sleep((int)(Math.random()*1000))；}catch(InterruptedExceptione){

}}System.out.println("DONE!"+getName())；}}第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)publicclassHelloWorld{publicstaticvoidmain(String[]args){//TODOAuto-generatedmethodstubnewSimpleThread("第一個(gè)線程").start()；newSimpleThread("第二個(gè)線程").start()；}}第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果：0第一個(gè)線程0第二個(gè)線程1第二個(gè)線程1第一個(gè)線程2第二個(gè)線程3第二個(gè)線程2第一個(gè)線程3第一個(gè)線程4第二個(gè)線程4第一個(gè)線程第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)5第一個(gè)線程5第二個(gè)線程6第二個(gè)線程6第一個(gè)線程7第一個(gè)線程7第二個(gè)線程8第一個(gè)線程9第一個(gè)線程DONE!第一個(gè)線程8第二個(gè)線程9第二個(gè)線程DONE!第二個(gè)線程第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)說(shuō)明：程序啟動(dòng)運(yùn)行main的時(shí)候，Java虛擬機(jī)啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程，主線程main在main()調(diào)用的時(shí)候被創(chuàng)建。隨著SimpleThread兩個(gè)對(duì)象的start方法的調(diào)用，另外兩個(gè)線程也啟動(dòng)了，這樣整個(gè)應(yīng)用就在多線程下運(yùn)行。第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)在一個(gè)方法中調(diào)用Thread.currentThread().getName()方法，可以獲取當(dāng)前線程的名字。在mian方法中調(diào)用該方法，獲取的是主線程的名字。注意：start()方法的調(diào)用后并不是立即執(zhí)行多線程代碼，而是使該線程變?yōu)榭蛇\(yùn)行態(tài)(Runnable)，什么時(shí)候運(yùn)行是由操作系統(tǒng)決定的。第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)從程序運(yùn)行的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，多線程程序是亂序執(zhí)行。因此，只有亂序執(zhí)行的代碼才有必要設(shè)計(jì)為多線程。Thread.sleep()方法的調(diào)用目的是不讓當(dāng)前線程獨(dú)自占有該進(jìn)程所獲取的CPU資源，以留出一定時(shí)間給其他線程執(zhí)行的機(jī)會(huì)。實(shí)際上所有的多線程代碼執(zhí)行順序都是不確定的，每次執(zhí)行的結(jié)果都是隨機(jī)的。第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)【示例7.2】通過(guò)接口構(gòu)造線程體。publicclassClockextendsjava.applet.AppletimplementsRunnable{ //實(shí)現(xiàn)接口ThreadclockThread；publicvoidstart(){//該方法是Applet的方法不是線程的方法if(clockThread==null){clockThread=newThread(this，"Clock")；第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)二、實(shí)現(xiàn)Runnable接口/*線程體是Clock對(duì)象本身線程名字為"Clock"*/clockThread.start()； //啟動(dòng)線程}}

publicvoidrun(){ //run()方法中是線程執(zhí)行的內(nèi)容while(clockThread!=null){repaint()； //刷新顯示畫(huà)面第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)try{clockThread.sleep(1000)；//睡眠1秒即每隔1秒執(zhí)行一次}catch(InterruptedExceptione){}}}publicvoidpaint(Graphicsg){Datenow=newDate()；//獲得當(dāng)前的時(shí)間對(duì)象第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)g.drawString(now.getHours()+":"+now.getMinutes()+":"+now.getSeconds()，5，10)；//顯示當(dāng)前時(shí)間}publicvoidstop(){//該方法是Applet的方法不是線程的方法clockThread.stop()；clockThread=null；}}第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)以上示例是通過(guò)每隔1秒就執(zhí)行線程的刷新畫(huà)面功能來(lái)顯示當(dāng)前的時(shí)間；看起來(lái)的效果就是一個(gè)時(shí)鐘每隔1秒就變化一次。由于采用的是實(shí)現(xiàn)接口Runnable的方式，所以該類(lèi)Clock還繼承了Applet，Clock就可以Applet的方式運(yùn)行。第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)構(gòu)造線程體的兩種方法的比較如下：(1)使用Runnable接口。①可以將CPU代碼和數(shù)據(jù)分開(kāi)，從而形成清晰的模型。②可以從其他類(lèi)繼承。③保持程序風(fēng)格的一致性。(2)直接繼承Thread類(lèi)。①不能從其他類(lèi)繼承。②編寫(xiě)簡(jiǎn)單，可以直接操作線程無(wú)需使用Thread.currentThread()。第二節(jié)多線程程序設(shè)計(jì)第三節(jié)多線程的狀態(tài)處理線程的狀態(tài)可分為就緒、運(yùn)行、阻塞、死亡等。就緒：當(dāng)線程創(chuàng)建之后，調(diào)用start方法，自動(dòng)運(yùn)行run方法。此時(shí)，線程獲得了系統(tǒng)資源，并處于等待CPU的狀態(tài)。運(yùn)行：線程獲得了CPU資源。阻塞：處于運(yùn)行狀態(tài)的線程因?yàn)槿鄙倌撤N資源而不得不停止運(yùn)行，進(jìn)入阻塞狀態(tài)。死亡：線程的run方法運(yùn)行結(jié)束時(shí)，線程進(jìn)入死亡狀態(tài)。第三節(jié)多線程的狀態(tài)處理一、線程的狀態(tài)線程終止后其生命周期也就結(jié)束了，即進(jìn)入死亡狀態(tài)，終止后的線程不能再被調(diào)度執(zhí)行。以下是進(jìn)入死亡狀態(tài)的幾種情況線程：(1)線程執(zhí)行完其run()方法后會(huì)自然終止。(2)通過(guò)調(diào)用線程的實(shí)例方法stop()來(lái)終止線程。第三節(jié)多線程的狀態(tài)處理二、對(duì)線程狀態(tài)的控制1．終止線程可以通過(guò)Thread中的isAlive()方法來(lái)獲取線程是否處于活動(dòng)狀態(tài)。第三節(jié)多線程的狀態(tài)處理2．測(cè)試線程狀態(tài)有幾種方法可以暫停一個(gè)線程的執(zhí)行，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候再恢復(fù)其執(zhí)行。(1)?sleep()方法。當(dāng)前線程睡眠(停止執(zhí)行)，即若干毫秒線程由運(yùn)行中狀態(tài)，進(jìn)入不可運(yùn)行狀態(tài)，停止執(zhí)行時(shí)間到后線程進(jìn)入可運(yùn)行狀態(tài)。(2)?suspend()和resume()方法。線程的暫停和恢復(fù)通過(guò)調(diào)用線程的suspend()方法使線程暫時(shí)由可運(yùn)行態(tài)切換到不可運(yùn)行態(tài)，若此線程想再回到可運(yùn)行態(tài)，必須由其他線程調(diào)用resume()方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。注：從JDK1.2開(kāi)始就不再使用suspend()和resume()。(3)?join()方法。當(dāng)前線程等待調(diào)用該方法的線程結(jié)束后，再恢復(fù)執(zhí)行。第三節(jié)多線程的狀態(tài)處理3．線程的暫停和恢復(fù)第四節(jié)線程的同步與共享因?yàn)槎嗑€程提供了程序的異步執(zhí)行的功能，可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源，所以在必要時(shí)還必須提供一種同步機(jī)制。線程同步可以確保當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)線程需要訪問(wèn)共享資源時(shí)，一次只有一個(gè)線程使用資源。第四節(jié)線程的同步與共享在Java中，使用synchronized關(guān)鍵字修飾的方法稱(chēng)為同步方法。當(dāng)某一線程在一個(gè)同步方法中執(zhí)行的時(shí)候，其他所有企圖調(diào)用同步方法的線程或者其他方法都必須等待。第四節(jié)線程的同步與共享一、線程的同步1．線程的同步機(jī)制【示例7.3】使用synchronized。classTarget{synchronizedvoiddisplay(intnum){System.out.println("begin"+num)；try{Thread.sleep(1000)；}catch(Exceptione){System.out.println("Interrupted")；}System.out.println("end")；}}第四節(jié)線程的同步與共享在Java中使用synchronized的兩種方式如下：(1)放在方法前面，這樣調(diào)用該方法的線程均將獲得對(duì)象的鎖。(2)放在代碼塊前面，它也有以下兩種形式：synchronized(this){…}：代碼塊中的代碼將獲得當(dāng)前對(duì)象引用的鎖。synchronized(otherObj){…}：代碼塊中的代碼將獲得指定對(duì)象引用的鎖。第四節(jié)線程的同步與共享線程系統(tǒng)還存在一個(gè)更大的風(fēng)險(xiǎn)，即“死鎖”。死鎖是保護(hù)數(shù)據(jù)不受線程損壞的自然結(jié)果。如果共享資源有狀態(tài)，而且在多個(gè)線程處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)更改代碼塊的狀態(tài)，則當(dāng)多個(gè)線程運(yùn)行時(shí)，就可能會(huì)潛在地破壞資源狀態(tài)。線程是獨(dú)立調(diào)度的，不一定按固定順序運(yùn)行，這必然存在風(fēng)險(xiǎn)。要解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)將數(shù)據(jù)設(shè)置為私有，并同步代碼塊。第四節(jié)線程的同步與共享2．死鎖但是，如果在應(yīng)用程序中定義同步代碼，則可能出現(xiàn)死鎖。具體地講，對(duì)于兩個(gè)已經(jīng)有鎖標(biāo)記的線程而言，如果它們都試圖調(diào)用受另一個(gè)線程的鎖標(biāo)記保護(hù)的同步代碼，則可能出現(xiàn)死鎖。在出現(xiàn)死鎖時(shí)，兩個(gè)線程將永不能再運(yùn)行。另外，調(diào)用使用相同鎖標(biāo)記的方法的其他線程也將出現(xiàn)死鎖。第四節(jié)線程的同步與共享當(dāng)以下四個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，就會(huì)發(fā)生死鎖：(1)互斥條件。線程使用的資源中至少有一個(gè)是不能共享的。(2)至少有一個(gè)進(jìn)程必須有一個(gè)資源且正在等待獲取一個(gè)當(dāng)前被別的進(jìn)程持有的資源。(3)資源不能被進(jìn)程搶占。所有的進(jìn)程必須把資源釋放當(dāng)作普通事件。(4)必須有循環(huán)等待。一個(gè)進(jìn)程等待其他進(jìn)程所持有的資源，這時(shí)，后者又在等待另一個(gè)進(jìn)程所持有的資源，這樣直到有一個(gè)進(jìn)程在等待第一個(gè)進(jìn)程所持有的資源，使大家都被鎖住。所以，要防止死鎖發(fā)生，只需破壞其中一個(gè)條件即可。在程序中，防止死鎖最容易的方法是破壞條件(4)。第四節(jié)線程的同步與共享線程調(diào)度器按線程的優(yōu)先級(jí)高低來(lái)選擇高優(yōu)先級(jí)線程(進(jìn)入運(yùn)行中狀態(tài))，執(zhí)行同時(shí)，線程調(diào)度是搶先式調(diào)度，即如果在當(dāng)前線程執(zhí)行過(guò)程中一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的線程進(jìn)入可運(yùn)行狀態(tài)，則這個(gè)線程立即被調(diào)度執(zhí)行。線程的優(yōu)先級(jí)用數(shù)字來(lái)表示范圍從1到10，即Thread.MIN_PRIORITY到Thread.MAX_PRIORITY。一個(gè)線程的缺省優(yōu)先級(jí)是5，即Thread.NORM_PRIORITY。第四節(jié)線程的同步與共享二、線程的優(yōu)先級(jí)本節(jié)將討論如何控制互相交互的線程之間的運(yùn)行進(jìn)度，即多線程之間的同步問(wèn)題。下面我們將通過(guò)多線程同步的模型，即生產(chǎn)者—消費(fèi)者問(wèn)題來(lái)說(shuō)明怎樣實(shí)現(xiàn)多線程的同步。第四節(jié)線程的同步與共享三、生產(chǎn)者—消費(fèi)者問(wèn)題對(duì)于此模型，應(yīng)該明確以下幾點(diǎn)：(1)生產(chǎn)者僅僅在倉(cāng)儲(chǔ)未滿時(shí)候生產(chǎn)，倉(cāng)滿則停止生產(chǎn)。(2)消費(fèi)者僅僅在倉(cāng)儲(chǔ)有產(chǎn)品時(shí)候才能消費(fèi)，倉(cāng)空則等待。(3)當(dāng)消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)沒(méi)產(chǎn)品可消費(fèi)時(shí)，會(huì)通知生產(chǎn)者生產(chǎn)。(4)生產(chǎn)者在生產(chǎn)出可消費(fèi)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)該通知等待的消費(fèi)者去消費(fèi)。第四節(jié)線程的同步與共享我們把系統(tǒng)中使用某類(lèi)資源的線程稱(chēng)為消費(fèi)者，產(chǎn)生或釋放同類(lèi)資源的線程稱(chēng)為生產(chǎn)者。在下面Java的應(yīng)用程序中生產(chǎn)者線程向文件中寫(xiě)數(shù)據(jù)，消費(fèi)者從文件中讀數(shù)據(jù)，這樣在這個(gè)程序中同時(shí)運(yùn)行的兩個(gè)線程共享同一個(gè)文件資源。通過(guò)這個(gè)例子我們來(lái)了解怎樣使它們同步。第四節(jié)線程的同步與共享【示例7.4】生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩個(gè)線程共享同一個(gè)文件資源。//生產(chǎn)者與消費(fèi)者共享的緩沖區(qū)，必須實(shí)現(xiàn)讀、寫(xiě)的同步publicclassBuffer{privateintcontents；privatebooleanavailable=false；publicsynchronizedintget(){while(!available){第四節(jié)線程的同步與共享try{this.wait()；}catch(InterruptedExceptionexc){}}intvalue=contents；//消費(fèi)者取出內(nèi)容，改變存取控制availableavailable=false；System.out.println("取出"+contents)；this.notifyAll()；returnvalue；}第四節(jié)線程的同步與共享publicsynchronizedvoidput(intvalue){while(available){try{this.wait()；}catch(InterruptedExceptionexc){}}contents=value；available=true；System.out.println("放入"+contents)；this.notifyAll()；第四節(jié)線程的同步與共享}}//生產(chǎn)者線程publicclassProducerextendsThread{privateBufferbuffer；privateintnumber；publicProducer(Bufferbuffer,intnumber){this.buffer=buffer；this.number=number；}第四節(jié)線程的同步與共享publicvoidrun(){for(inti=0；；){buff