Java程序開發(fā)教學(xué)課件10-線程

Java程序設(shè)計——線程重慶大學(xué)計算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)內(nèi)容

什么是線程

線程的狀態(tài)

線程的構(gòu)造

線程的控制

多線程的互斥和同步

JavaSE8.0Lambda語法對線程的支持線程的概念

多任務(wù)：計算機(jī)在看上去幾乎同一時間內(nèi)運行多個程序。

多線程：單個程序內(nèi)部也可以在同一時間進(jìn)行多種運算。

一個線程是一個程序內(nèi)部的順序控制流。

不是程序，自己本身不能運行，必須在程序中運行

如何在一個程序內(nèi)部實現(xiàn)多個線程。線程和進(jìn)程

每個進(jìn)程都有獨立的代碼和數(shù)據(jù)空間(進(jìn)程上下文)，進(jìn)程切換的開銷大。

線程：輕量的進(jìn)程，同一類線程共享代碼和數(shù)據(jù)空間，每個線程有獨立的運行棧和程序計數(shù)器(PC)，線程切換的開銷小。

多進(jìn)程：在操作系統(tǒng)中，能同時運行多個任務(wù)(程序)。

多線程：在同一應(yīng)用程序中，有多個順序流同時執(zhí)行。線程的概念模型

虛擬的CPU，封裝在java.lang.Thread類中。

CPU所執(zhí)行的代碼，傳遞給Thread類。

CPU所處理的數(shù)據(jù)，傳遞給Thread類。線程體

Java的線程是通過java.lang.Thread類來實現(xiàn)的。

當(dāng)我們生成一個Thread類或者它的子類的對象后，一個新的線程就誕生了。

每個線程都是通過某個特定Thread對象的方法run()來完成其操作的，方法run()稱為線程體。線程的狀態(tài)newThread()yield()suspend()sleep()wait()start()newrunnableblockedresume()notify()stop()run()exitstop()stop()dead

創(chuàng)建狀態(tài)(newThread)ThreadmyThread=newMyThreadClass();

可運行狀態(tài)(Runnable)ThreadmyThread=newMyThreadClass();myThread.start();

這一狀態(tài)并不是運行中狀態(tài)（Running），因為也許線程并未真正執(zhí)行。

不可運行狀態(tài)（NotRunnable）

調(diào)用了sleep（）方法;調(diào)用了suspend（）方法;為等候一個條件變量，線程調(diào)用wait（）方法;輸入輸出流中發(fā)生線程阻塞;

對于上面四種情況，都有可以返回可運行態(tài)的方法與之對應(yīng)。

1、sleep()方法中的參數(shù)為休息時間，單位為毫秒，時間過去后，線程即為可運行的。

2、一個線程調(diào)用suspend()方法后，只能由其它線程調(diào)用它的resume()方法恢復(fù)。

3、如果一個線程等待條件變量，如果要停止等待，需要條件變量所在的對象調(diào)用notify()或者notifyAll()方法。

4、特定的I／O指令結(jié)束不可運行狀態(tài)。

死亡狀態(tài)（Dead）線程的終止一般可通過兩種方法實現(xiàn)：自然撤消（線程執(zhí)行完）或是被停止（調(diào)用stop()方法）。自然撤銷是線程的run()方法正常退出。

其它注意事項

１、非法狀態(tài)處理

對于任何狀態(tài)，如果調(diào)用的方法和狀態(tài)不符，都會引起非法狀態(tài)處理異常。比如。線程剛創(chuàng)建后，只能調(diào)用start()或者stop()方法，如果調(diào)用其它方法就會引起非法狀態(tài)處理。

２、isAlive()方法

在類Thread中提供了方法isAlive()，如果線程已經(jīng)啟動，但是未終止，返回true，反之，返回false，表示該線程未啟動，或者已終止。

如果isAlive()方法返回true，不能區(qū)分是可運行態(tài)（runnable）還是不可運行態(tài)（notrunnable）。線程體的構(gòu)造

publicThread(Runnabletarget,Stringname)；

target是執(zhí)行線程體的目標(biāo)對象。生成這個對象的類，實現(xiàn)了Runnable接口。其中包含線程體run（）方法。

name是線程的名稱。

還有它的重載方法。

任何實現(xiàn)接口Runnable的對象都可以作為一個線程的目標(biāo)對象；構(gòu)造線程體的2種方法1.定義一個線程類，它繼承類Thread并重寫其中的方法run()；提供一個實現(xiàn)接口Runnable的類作為線程的目標(biāo)對象，在初始化一個Thread類或者Thread子類的線程對象時，把目標(biāo)對象傳遞給這個線程實例，由該目標(biāo)對象提供線程體run()。2.Runnable接口中只定義了一個方法run()；通過繼承類Thread構(gòu)造線程體classSimpleThreadextendsThread{publicSimpleThread(Stringstr){super(str);}publicvoidrun(){for(inti=0;i<10;i++){System.out.println(i+""+getName());try{sleep((int)(Math.random()*1000));}catch(InterruptedExceptione){}}System.out.println("DONE!"+getName());}}publicclassTwoThreadsTest{publicstaticvoidmain(Stringargs[]){newSimpleThread("First").start();newSimpleThread("Second").start();}}通過接口構(gòu)造線程體-例子1classSimpleThreadimplementsRunnable{publicSimpleThread(Stringstr){//super(str);}publicvoidrun(){for(inti=0;i<10;i++){System.out.println(i+""+Thread.currentThread().getName());try{Thread.sleep((int)(Math.random()*1000));}catch(InterruptedExceptione){｝}通過接口構(gòu)造線程體-例子1(續(xù))System.out.println("DONE!"+Thread.currentThread().getName());}}publicclassTwoThreadsTest1{publicstaticvoidmain(Stringargs[]){newThread(newSimpleThread(),"First").start();newThread(newSimpleThread(),“Second").start();}}兩種方法的比較

使用Runnable接口可以將CPU，代碼和數(shù)據(jù)分開，形成清晰的模型;還可以從其他類繼承;保持程序風(fēng)格的一致性。使用Thread.currentThread()獲取當(dāng)前線程進(jìn)行控制

直接繼承Thread類不能再從其他類繼承;編寫簡單，可以直接操縱線程兩種構(gòu)造線程方法之間的關(guān)系線程的調(diào)度

Java提供一個線程調(diào)度器來監(jiān)控程序中啟動后進(jìn)入就緒狀態(tài)的所有線程。線程調(diào)度器按照線程的優(yōu)先級決定應(yīng)調(diào)度哪些線程來執(zhí)行。

線程的調(diào)度是搶先式的。

時間片方式

非時間片方式

下面幾種情況下，當(dāng)前線程會放棄CPU:

線程調(diào)用了yield()或sleep()方法主動放棄；

由于當(dāng)前線程進(jìn)行I/O訪問，外存讀寫，等待用戶輸入等操作，導(dǎo)致線程阻塞；

為等候一個條件變量，線程調(diào)用wait（）方法；

搶先式系統(tǒng)下，由高優(yōu)先級的線程參與調(diào)度；時間片方式下，當(dāng)前時間片用完，由同優(yōu)先級的線程參與調(diào)度。線程的優(yōu)先級

線程的優(yōu)先級用數(shù)字來表示，范圍從1到10，即Thread.MIN_PRIORITY到Thread.MAX_PRIORITY。一個線程的缺省優(yōu)先級是5，即Thread.NORM_PRIORITY。

intgetPriority();

voidsetPriority(intnewPriority);classThreadTest{publicstaticvoidmain(Stringargs[]){Threadt1=newMyThread("T1");t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);t1.start();Threadt2=newMyThread("T2");t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);t2.start();Threadt3=newMyThread("T3");t3.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);t3.start();}}classMyThreadextendsThread{Stringmessage;MyThread(Stringmessage){this.message=message;}publicvoidrun(){for(inti=0;i<3;i++)System.out.println(message+""+getPriority());}}運行結(jié)果：T2T2T2T3T3T3T1T1T1110101010101011

注意：并不是在所有系統(tǒng)中運行Java程序時都采用時間片策略調(diào)度線程，所以一個線程在空閑時應(yīng)該主動放棄CPU，以使其他同優(yōu)先級和低優(yōu)先級的線程得到執(zhí)行。基本的線程控制

測試線程狀態(tài)

可以通過Thread中的isAlive()方法來獲取線程是否處于活動狀態(tài)；

線程由start()方法啟動后，直到其被終止之間的任何時刻，都處于‘Alive’狀態(tài)。線程的暫停和恢復(fù)

sleep()方法

suspend（）和resume（）,（運行程序）

join()（運行程序）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.TimerThreadtt=newTimerThread(100);tt.start();…//另一線程publicvoidtimeout(){tt.join();//等待線程tt執(zhí)行完后再繼續(xù)往下執(zhí)行…}線程終止

終止線程

線程執(zhí)行完其run()方法后，會自然終止。

通過調(diào)用線程的實例方法stop()來終止線程。（一般不推薦使用）

使用中斷（interrupt）通知線程停止

interrupt();

isInterrupted();

interrupted();

查看備注程序多線程的互斥與同步線程1資源線程2變量線程10withdraw()余額withdraw()透支多線程的互斥與同步

臨界資源問題classstack{intidx=0;char[]data=newchar[6];publicvoidpush(charc){data[idx]=c;idx++;}publiccharpop(){idx--;returndata[idx];}}兩個線程A和B在同時使用Stack的同一個實例對象，A正在往堆棧里push一個數(shù)據(jù)，B則要從堆棧中pop一個數(shù)據(jù)。1)操作之前data=|p|q|A執(zhí)行push中的第一個語句，將r推入堆棧；data=|p|q|r|||||idx=22)|||idx=23)A還未執(zhí)行idx++語句，A的執(zhí)行被B中斷，B執(zhí)行pop方法，返回q：data=|p|q|r||||idx=14〕A繼續(xù)執(zhí)行push的第二個語句：data=|p|q|r||,||idx=2最后的結(jié)果相當(dāng)于r沒有入棧。

產(chǎn)生這種問題的原因在于對共享數(shù)據(jù)訪問的操作的不完整性。

在Java語言中，引入了對象互斥鎖的概念，來保證共享數(shù)據(jù)操作的完整性。

每個對象都對應(yīng)于一個可稱為“互斥鎖”的標(biāo)記，這個標(biāo)記用來保證在任一時刻，只能有一個線程訪問該對象。

關(guān)鍵字synchronized來與對象的互斥鎖聯(lián)系。當(dāng)某個對象用synchronized修飾時，表明該對象在任一時刻只能由一個線程訪問。publicvoidpush(charc){synchronized(this){data[idx]=c;idx++;}}publiccharpop(){synchronized(this){idx--;returndata[idx];}}

synchronized除了象上面講的放在對象前面限制一段代碼的執(zhí)行外，還可以放在方法聲明中，表示整個方法為同步方法。方法在執(zhí)行時需要獲取“互斥鎖”，是一個原子方法，不會被外界中斷。

publicsynchronizedvoidpush(charc){…}

如果synchronized用在類聲明中，則表明該類中的所有方法都是synchronized的。多線程的同步classSyncStack{privateintindex=0;privatechar[]buffer=newchar[6];publicsynchronizedvoidpush(charc){while(index==buffer.length){try{this.wait();}catch(InterruptedExceptione){}}this.notify();buffer[index]=c;index++;}publicsynchronizedcharpop(){while(index==0){try{this.wait();}catch(InterruptedExceptione){}}this.notify();index--;returnbuffer[index];}}生產(chǎn)者-消費者問題(同步問題)資源消費者生產(chǎn)者SyncStackclassProducerimplementsRunnable{SyncStacktheStack;publicProducer(SyncStacks){theStack=s;}publicvoidrun(){charc;for(inti=0;i<20;i++){c=(char)(Math.random()*26+'A');theStack.push(c);System.out.println("Produced:try{Thread.sleep((int)(Math.random()*100));}catch(InterruptedExceptione){}"+c);}}}classConsumerimplementsRunnable{SyncStacktheStack;publicConsumer(SyncStacks){theStack=s;}publicvoidrun(){charc;for(inti=0;i<20;i++){c=theStack.pop();System.out.println("Consumed:try{Thread.sleep((int)(Math.random()*1000));"+c);}catch(InterruptedExceptione){}}}}publicclassSyncTest{publicstaticvoidmain(Stringargs[]){SyncStackstack=newSyncStack();Runnablesource=newProducer(stack);Runnablesink=newConsumer(stack);Threadt1=newThread(source);Threadt2=newThread(sink);t1.start();t2.start();}}程序執(zhí)行結(jié)果Produced:VConsumed:VProduced:EConsumed:EProduced:PProduced:L...Consumed:LConsumed:Pwait(),notify(),notifyAll()(1)wait,nofity,notifyAll必須在已經(jīng)持有鎖的情況下執(zhí)行,所以它們只能出現(xiàn)在synchronized作用的范圍內(nèi).這些方法都是在java.lang.Object中定義的。(2)wait的作用:釋放已持有的鎖,進(jìn)入wait隊列.(3)notify的作用:喚醒wait隊列中的一個線程并把它移入鎖申請隊列.(4)notifyAll的作用:喚醒wait隊列中的所有的線程并把它們移入鎖申請隊列.可能會發(fā)生死鎖的問題

哲學(xué)家用餐問題

五位哲學(xué)家坐在餐桌前,他們在思考,并在感到饑餓時就吃東西,在每位哲學(xué)家之間有一個筷子,為了吃東西,一位哲學(xué)家必須要有兩個筷子,如果每位哲學(xué)家拿起右邊的筷子,然后等著拿左邊的筷子,問題就產(chǎn)生了.在這種情況下就會發(fā)生死鎖.JavaSE8.0Lambda語法對線程的支持對于Runnable和接口，除了可以使用Java中標(biāo)準(zhǔn)的方法來創(chuàng)建實現(xiàn)對象之外，還可以使用lambda表達(dá)式來創(chuàng)建實現(xiàn)對象，簡化代碼的實現(xiàn)。在使用lambda表達(dá)式時，只需要提供形式參數(shù)和方法體。由于函數(shù)式接口只有一個抽象方法，所以通過lambda表達(dá)式聲明的方法體就肯定是這個唯一的抽象方法的實現(xiàn)，而且形式參數(shù)的類型可以根據(jù)方法的類型聲明進(jìn)行自動推斷。JavaSE8.0Lambda語法對線程的支持傳統(tǒng)匿名方式的創(chuàng)建一個線程并運行的方式如下所示：publicvoidrunThread(){newThread(newRunnable(){publicvoidrun(){System.out.println("Run!");}}).start();}JavaSE8.0Lambda語法對線程的支持使用lambda表達(dá)式來完成同樣的功能，得到的代碼非常簡潔，如下面所示：publicvoidrunThreadUseLambda(){newThread(()->{System.out.println("Run!");}).start();}＊首先是Runnable接口的聲明，這可以通過對上下文環(huán)境進(jìn)行推斷來得出；其次是對run方法的實現(xiàn)，因為函數(shù)式接口中只包含一個需要實現(xiàn)的方法。模擬考題Question1)WhichofthefollowingaremethodsoftheRerface1)run2)start3)yield4)stop模擬考題AnswertoQuestion1)1)TheRerfacehasonlyonemethodrunthatneedstobecreatedinany