《Java程序設(shè)計(jì)》課件第5章

第5章多線程5.1線程的概念5.2多線程的實(shí)現(xiàn)方法5.3采用多線程實(shí)現(xiàn)動畫效果5.4線程的同步與死鎖 5.1線?程?的?概?念

5.1.1線程與多線程

線程是指程序中順序執(zhí)行的一個指令序列，多線程允許在程序中并發(fā)執(zhí)行多個指令序列，且彼此間互相獨(dú)立。

多線程允許將程序任務(wù)分成幾個并行的子任務(wù)，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。例如，在網(wǎng)絡(luò)編程中，很多功能是可以并發(fā)執(zhí)行的。如果需要從ftp文件服務(wù)器下載文件，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸速度較慢，客戶端提出請求后，須等待服務(wù)器響應(yīng)，此時客戶端處于閑置等待狀態(tài)。如果用兩個獨(dú)立的線程去完成該功能，當(dāng)一個線程處于等待狀態(tài)時，另一個線程可以建立連接，請求另一部分?jǐn)?shù)據(jù)。采用多線程可以充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高文件下載的速度。在圖形用戶界面的程序中，主程序不斷檢測發(fā)生的事件，根據(jù)事件的不同種類調(diào)用事件的響應(yīng)程序。如果采用單線程，只有當(dāng)事件響應(yīng)程序執(zhí)行完畢，主程序才能繼續(xù)處理其他的事件。

多個線程的執(zhí)行是并發(fā)的，也就是在邏輯上“同時”，而不管是否是物理上的“同時”。如果系統(tǒng)只有一個CPU，那么真正的“同時”是不可能的，但是由于CPU的速度非?？?，用戶感覺不到其中的區(qū)別，只需要設(shè)想各個線程是同時執(zhí)行即可。

多線程和傳統(tǒng)的單線程在程序設(shè)計(jì)上最大的區(qū)別在于：由于各個線程的控制流彼此獨(dú)立，使得各個線程之間代碼執(zhí)行的順序不確定，由此帶來線程調(diào)度、同步等問題。5.1.2進(jìn)程與線程

進(jìn)程是程序的一次動態(tài)執(zhí)行過程，它對應(yīng)了從代碼加載、執(zhí)行，到執(zhí)行完畢的一個完整過程，這個過程也是進(jìn)程本身從產(chǎn)生、發(fā)展到消亡的過程。同一個程序可以被加載到系統(tǒng)的不同內(nèi)存區(qū)域分別執(zhí)行，形成不同的進(jìn)程。

線程是比進(jìn)程更小的執(zhí)行單位。一個進(jìn)程在其執(zhí)行過程中可以產(chǎn)生多個線程，每個線程也有它自身的產(chǎn)生、存在和消亡過程，是一個動態(tài)的概念。進(jìn)程之間的內(nèi)部數(shù)據(jù)和狀態(tài)都是完全獨(dú)立的，同一進(jìn)程的多個線程共享一塊內(nèi)存空間和一組系統(tǒng)資源，有可能互相影響。線程切換時保存其內(nèi)部狀態(tài)的數(shù)據(jù)較少，切換的負(fù)擔(dān)比進(jìn)程切換要小。5.1.3線程的優(yōu)先級與類別

每一個線程都有一個優(yōu)先級，Java將線程的優(yōu)先級分為10個等級，分別用1～10之間的數(shù)字表示。數(shù)字越大表明線程的優(yōu)先級越高，缺省情況下的優(yōu)先級為5。Java語言在線程類Thread中定義了表示線程最低、最高和普通優(yōu)先級的常量MIN_PRIORITY、MAX_PRIORITY和NORMAL_PRIORITY，代表的優(yōu)先級等級分別為1、10和5。為了控制線程的運(yùn)行，Java定義了線程調(diào)度器來監(jiān)控系統(tǒng)中處于就緒狀態(tài)的所有線程。線程調(diào)度器按照線程的優(yōu)先級決定哪個線程投入處理器運(yùn)行。在多個線程處于就緒狀態(tài)的條件下，具有高優(yōu)先級的線程會在低優(yōu)先級線程之前得到執(zhí)行。具有相同優(yōu)先級的所有線程采用輪轉(zhuǎn)的方式來共同分配CPU時間。

Java語言中的線程分為兩類，即用戶線程和守護(hù)(Daemon)線程。守護(hù)線程具有最低的優(yōu)先級，用于為系統(tǒng)中的其他對象和線程提供服務(wù)。典型的守護(hù)線程的例子是Java虛擬機(jī)中的系統(tǒng)資源自動回收線程，它始終在低級別的狀態(tài)中運(yùn)行，用于實(shí)時監(jiān)控和管理系統(tǒng)中的可回收資源。

Java程序運(yùn)行到所有用戶線程終止，然后終止所有的守護(hù)線程。對一個Java應(yīng)用程序，main方法運(yùn)行結(jié)束以后，如果另一個用戶線程仍在運(yùn)行，則程序繼續(xù)運(yùn)行；而如果其他線程均為守護(hù)線程，則程序終止運(yùn)行。5.1.4線程的狀態(tài)與生命周期

每個Java程序都有一個缺省的主線程。對于Java應(yīng)用程序，主線程是main方法執(zhí)行的指令序列；對于Applet，主線程指揮瀏覽器加載并執(zhí)行Java小程序。要想實(shí)現(xiàn)多線程，必須創(chuàng)建新的線程對象。

Java語言使用Thread類及其子類的對象來表示線程，新建的線程在它的一個完整的生命周期中通常包括新生、運(yùn)行、睡眠和死亡四種狀態(tài)。

(1)新生(New)狀態(tài)：線程被創(chuàng)建但尚未啟動其指定的指令序列時，線程處于New狀態(tài)。

(2)運(yùn)行(Runnable)狀態(tài)：處于新生狀態(tài)的線程被啟動后，進(jìn)入Runnable狀態(tài)。Runnable狀態(tài)可分為就緒和運(yùn)行兩種狀態(tài)，但從程序設(shè)計(jì)的角度來看，可以認(rèn)為它們是同一種狀態(tài)。

(3)睡眠(NotRunning)狀態(tài)：一個正在執(zhí)行的線程在某些特殊情況下，暫停執(zhí)行，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。例如線程因執(zhí)行I/O操作而阻塞時，必須等待I/O操作結(jié)束。另外線程也可以主動調(diào)用sleep方法進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

(4)死亡狀態(tài)：處于死亡狀態(tài)的線程不具有繼續(xù)運(yùn)行的能力。線程死亡的原因有兩個：一個是正常運(yùn)行的線程完成它的全部工作后退出；另一個則是線程被強(qiáng)制性地終止，如通過執(zhí)行stop方法或destroy來終止線程。

5.2多線程的實(shí)現(xiàn)方法

5.2.1線程類Thread

Java語言是第一個直接支持多線程的程序設(shè)計(jì)語言。用Java語言編寫多線程程序無需直接訪問操作系統(tǒng)的編程接口，它提供了類java.lang.Thread方便多線程編程，創(chuàng)建一個新的線程只需指明這個線程所要執(zhí)行的代碼即可。

Java虛擬機(jī)本身并不直接實(shí)現(xiàn)線程機(jī)制，它仍然需要操作系統(tǒng)的支持，不過所有需要訪問操作系統(tǒng)編程接口的工作都已經(jīng)在Thread類以及其他幾個與線程有關(guān)的類中實(shí)現(xiàn)了。

Thread類的構(gòu)造方法有多種，它們是：

●?publicThread();

●?publicThread(Runnabletarget);

●?publicThread(Runnabletarget,Stringname);

●?publicThread(Stringname);

●?publicThread(ThreadGroupgroup,Runnabletarget);

●?publicThread(ThreadGroupgroup,Runnabletarget,Stringname);

●?publicThread(ThreadGroupgroup,Stringname)。其中，target為Runnable接口類型的對象，用于提供該線程執(zhí)行的指令序列，有關(guān)Runnable接口的使用將在下面詳細(xì)討論；name為新線程的名稱；group參數(shù)為線程組，線程組類ThreadGroup是Java語言為方便線程的調(diào)度管理定義的一個類，可以將若干個線程加入同一個線程組。

Thread類提供了大量的方法來控制線程，下面介紹幾個主要的方法。

●?publicstaticintactiveCount();——返回線程組中當(dāng)前活動的線程數(shù)。

●?publicstaticnativeThreadcurrentThread();——返回當(dāng)前運(yùn)行的Thread對象。●?publicvoiddestroy();——破壞線程，但不進(jìn)行清理。

●?publicfinalStringgetName();——返回線程的名字。

●?publicfinalintgetPriority();——返回線程優(yōu)先級。

●?publicfinalThreadGroupgetThreadGroup();——得到線程所屬的線程組。

●?publicvoidinterrupt();——中斷線程運(yùn)行。

●?publicstaticbooleaninterrupted();——判斷當(dāng)前線程是否已被中斷。

●?publicbooleanisInterrupted();——判斷線程是否已被中斷?！?publicfinalnativebooleanisAlive();——測試線程是否處于活動狀態(tài)。

●?publicfinalbooleanisDaemon();——方法isDaemon判斷一個線程是否是守護(hù)線程。

●?publicvoidrun();——指定線程需要運(yùn)行的代碼，一般由派生類或Runnable接口覆蓋Thread類中定義的該方法。

●?publicfinalvoidsetDaemon(booleanon);——方法setDaemon將一個線程設(shè)為守護(hù)線程(on為true)或用戶線程(on為false)，該方法必須在線程啟動前調(diào)用。

●?publicfinalvoidsetName(Stringname);——設(shè)置線程名。●?publicfinalvoidsetPriority(intnewPriority);——設(shè)置線程優(yōu)先級。

●?publicstaticvoidsleep(longmillis)；。

●?publicstaticvoidsleep(longmillis,intnanos)；。

以上兩種方法用于使線程在指定的時間內(nèi)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，指定的時間一過，線程重新進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)。millis為毫秒數(shù)，nanos為納秒數(shù)。

●?publicsynchronziednativevoidstart();——開始運(yùn)行線程，Java虛擬機(jī)將自動調(diào)用線程的run方法。

●?publicstaticvoidyield();——使線程放棄當(dāng)前分得的CPU時間，但不進(jìn)入睡眠狀態(tài)，仍處于可執(zhí)行狀態(tài)。將CPU控制權(quán)主動移交到下一個可運(yùn)行線程。5.2.2繼承Thread類

從上面的介紹可以知道，線程類中定義了一個方法run，該方法稱為線程體，用于指定線程所要執(zhí)行的指令序列。創(chuàng)建一個線程類對象，調(diào)用start方法啟動線程后，run方法會被自動調(diào)用。如果在Thread類的子類中覆蓋run方法，加入線程所要執(zhí)行的代碼，則線程啟動后，子類中定義的run方法被調(diào)用。這是Java語言中實(shí)現(xiàn)多線程的第一種方法，也是最簡單直接的方法。繼承Thread類的基本步驟如下：

(1)從Thread類派生一個類，覆蓋Thread類中的run方法。例如：

publicclassD_ThreadextendsThread{

publicvoidrun(){

//需要以線程方式運(yùn)行的代碼

}

}

(2)創(chuàng)建該派生類的對象。例如：

D_ThreadnewThread=newD_Thread();

(3)調(diào)用start方法啟動該線程。例如：

newThread.start();【程序5.1】派生Thread類實(shí)現(xiàn)多線程。

importjava.lang.InterruptedException;

publicclassThreadTest{

publicstaticvoidmain(String[]args)

{

MyThreadfirst,second;

first=newMyThread("Thefirstthread");

second=newMyThread("Thesecondthread");

first.start();

second.start();

}}

classMyThreadextendsThread

{

Stringname;

publicMyThread(Stringname)

{

=name;

System.out.println(name+"created");

}

publicvoidrun() {

System.out.println(name+"Started");

try{

sleep(1000);

}catch(InterruptedExceptione){}

System.out.println(name+"finished");

}

}

程序輸出結(jié)果為

Thefirstthreadcreated

Thesecondthreadcreated

ThefirstthreadStarted

ThesecondthreadStarted

Thefirstthreadfinished

Thesecondthreadfinished

sleep方法在執(zhí)行時如果發(fā)生錯誤，會拋擲異常，程序中采用try-catch捕捉該異常，有關(guān)語法將在第7章詳細(xì)介紹。5.2.3實(shí)現(xiàn)Runnable接口

5.2.2節(jié)的方法簡單明了，但有一個很大的缺點(diǎn)，即如果用戶定義的類已經(jīng)從一個類繼承(例如Applet必須繼承自Applet類)，則無法再繼承Thread類。Java語言中可以直接創(chuàng)建Thread類的對象，而線程體通過target參數(shù)指定。從Thread類的構(gòu)造方法可以看出，target參數(shù)的類型為Runnable。Runnable接口只有一個方法run，用戶自定義的類只需實(shí)現(xiàn)Runnable接口，將線程體寫入run方法，然后創(chuàng)建該類對象并將該對象傳遞給Thread類的構(gòu)造方法。

使用Runnable接口實(shí)現(xiàn)多線程的基本步驟如下：

(1)定義一個類，實(shí)現(xiàn)Runnable接口。例如：

publicclassI_ThreadimplementsRunnable{

publicvoidrun(){

//線程體

}

}

(2)創(chuàng)建自定義類的對象。例如：

I_Threadtarget=newI_Thread();

(3)創(chuàng)建Thread類對象，指定該類的對象作target參數(shù)。例如：

Threadnewthread=newThread(target);

(4)啟動線程。例如：

newthread.start();

程序5.2實(shí)現(xiàn)的功能與程序5.1相同，讀者可比較一下兩個程序的不同點(diǎn)。

【程序5.2】通過Runnable接口實(shí)現(xiàn)多線程。

importjava.lang.InterruptedException;

publicclassThreadTest

{

publicstaticvoidmain(String[]args)

{ MyTargetfirsttarget,secondtarget;

firsttarget=newMyTarget("Thefirstthread");

secondtarget=newMyTarget("Thesecondthread");

Threadfirst,second;

first=newThread(firsttarget);

second=newThread(secondtarget);

first.start();

second.start();

}

}classMyTargetimplementsRunnable

{

Stringname;

publicMyTarget(Stringname)

{

=name;

System.out.println(name+"created");

}

publicvoidrun()

{ System.out.println(name+"Started");

try{

Thread.sleep(1000);

}catch(InterruptedExceptione){}

System.out.println(name+"finished");

}

}

5.3采用多線程實(shí)現(xiàn)動畫效果

WWW最初被引入Internet時能提供的都是靜態(tài)的網(wǎng)頁，而JavaApplet最吸引人的就是可以嵌入在網(wǎng)頁中運(yùn)行，使網(wǎng)頁變得生動精彩。使用Applet顯示動畫是最常見的一種應(yīng)用，本節(jié)介紹實(shí)現(xiàn)動畫的基本方法。

動畫的實(shí)現(xiàn)原理很簡單。首先在屏幕上顯示動畫的第一幀(也就是第一幅畫面)，然后每隔一段時間顯示另外一幀，如此往復(fù)，由于人眼的視覺暫停而感覺好像畫面中的物體在運(yùn)動。畫面的繪制是由paint方法完成的，每過一定的時間必須重新調(diào)用paint。程序5.3采用一個獨(dú)立的線程，定時通知主線程刷新顯示?！境绦?.3】用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)動畫(運(yùn)行畫面如圖5.1所示)。

importjava.awt.*;

importjava.applet.*;

importjava.util.Date; //Date類用于處理日期時間信息

publicclassAppletClockextendsAppletimplementsRunnable

{

Datetimenow;

Threadclockthread=null; //設(shè)置一個線程

publicvoidstart()

{

if(clockthread==null) //如果線程為空，則

{

clockthread=newThread(this); //創(chuàng)建新線程，target為當(dāng)前Applet

clockthread.start(); //啟動新線程

}

} publicvoidstop()

{

clockthread.stop(); //終止線程

clockthread=null;

}

publicvoidrun() //線程體

{

while(true){ repaint(); //重新繪制

try{

Thread.sleep(1000); //線程睡眠1000ms

}catch(InterruptedExceptione){} //捕獲異常

}

} publicvoidpaint(Graphicsg)

{

timenow=newDate(); //獲得當(dāng)前時間

g.drawString(timenow.toString(),25,30); //將它打印出來

}

}圖5.1程序5.3的運(yùn)行畫面

5.4線程的同步與死鎖

5.4.1同步的概念

同一進(jìn)程的多個線程共享同一存儲空間，帶來了訪問沖突這個嚴(yán)重的問題。例如，兩個線程訪問同一個對象，一個線程向?qū)ο笾写鎯?shù)據(jù)，另一個線程讀取該數(shù)據(jù)。如果第一個線程還沒有完成存儲操作第二個線程就開始讀數(shù)據(jù)，就產(chǎn)生了混亂。因此，必須采用同步機(jī)制來防止類似情況發(fā)生，即在第一個線程完成存儲操作之前，禁止其他線程訪問該

對象?！境绦?.4】未使用同步機(jī)制的多線程程序。

classDataClass{

privateintdata=0;

publicvoidIncrease(){

intnd=data;

try{

Thread.sleep(100);

}catch(Exceptione){}

data=nd+1;

}

publicintGetData(){returndata;}}

classNThreadextendsThread{

DataClassd;

NThread(DataClassd){this.d=d;}

booleanalive=true;

publicvoidrun()

{

for(inti=0;i<100;i++)

d.Increase();

alive=false; }

}

publicclassNoSyn

{

publicstaticvoidmain(String[]args)

{

DataClassd=newDataClass();

NThreadt1=newNThread(d);

NThreadt2=newNThread(d);

t1.start();

t2.start(); while(t1.alive||t2.alive);

System.out.println(“data=”+d.GetData());

}

}

程序5.4在NoSyn類的main方法中創(chuàng)建了兩個線程t1和t2，兩個線程分別對DataClass類的對象d調(diào)用100次Increase方法。當(dāng)兩個線程的run方法執(zhí)行結(jié)束后，main方法輸出對象d的數(shù)據(jù)成員data。按照程序的功能，data最后的值應(yīng)為200，但實(shí)際運(yùn)行后輸出的結(jié)果并非如此。程序5.4中DataClass的方法Increase在取出變量成員data的值后，暫停100ms，然后將原來的值加1寫回data。在線程t1寫回data之前，線程t2取data的值為原來的值，而不是線程t1計(jì)算后的值，由此引起錯誤的結(jié)果。當(dāng)然，在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，取data值后一般不會進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而可能是一些復(fù)雜費(fèi)時的計(jì)算，每次的運(yùn)行結(jié)果可能不一樣。

程序5.4的運(yùn)行結(jié)果很顯然是用戶不希望看到的。為了解決這個問題，Java語言提供了專門機(jī)制來解決這種沖突，避免同一個數(shù)據(jù)對象被多個線程同時訪問。為此，Java語言引入了一個關(guān)鍵字synchronized，它有兩種用法：synchronized方法和synchronized塊。5.4.2synchronized方法

通過在方法聲明中加入synchronized關(guān)鍵字來聲明synchronized方法。例如：

publicsynchronizedvoidaccessVal(intnewVal);

synchronized方法控制對對象成員的訪問，每個對象對應(yīng)一把鎖。每個synchronized方法都必須獲得調(diào)用該方法的對象的鎖方能執(zhí)行，否則所屬線程阻塞。synchronized方法一旦執(zhí)行，就獨(dú)占該鎖，直到從該方法返回時才將鎖釋放，此后被阻塞的線程方能獲得該鎖進(jìn)入可執(zhí)行狀態(tài)。

Java語言的這種同步機(jī)制確保了同一時刻對于每一個該類對象，synchronized方法成員至多只有一個處于可執(zhí)行狀態(tài)，從而有效避免了對對象成員的訪問沖突。

程序5.5對程序5.4進(jìn)行了修改，將DataClass類的方法成員Increase定義為synchronized的，則當(dāng)線程t1執(zhí)行d.Increse()時，鎖定對象d，此時如果線程t2執(zhí)行d.Increase()，則被阻塞，進(jìn)入休眠狀態(tài)。程序5.5執(zhí)行后輸出正確的結(jié)果，data的值為200?！境绦?.5】使用synchronized方法的多線程程序。

classDataClass{

privateintdata=0;

synchronizedpublicvoidIncrease()

{

intnd=data;

try{

Thread.sleep(100);

}catch(Exceptione){}

data=nd+1;

} publicintGetData()

{

returndata;

}

}

classNThreadextendsThread{

DataClassd;

NThread(DataClassd){this.d=d;}

booleanalive=true;

publicvoidrun()

{ for(inti=0;i<100;i++)

d.Increase();

alive=false;

}

}

publicclassSynDemo

{

publicstaticvoidmain(String[]args)

{

DataClassd=newDataClass();

NThreadt1=newNThread(d); NThreadt2=newNThread(d);

t1.start();

t2.start();

while(t1.alive||t2.alive);

System.out.println(“data=”+d.GetData());

}

}

在Java中，不僅是對象，每一個類也對應(yīng)一把鎖?？蓪㈩惖撵o態(tài)方法聲明為synchronized，以控制其對類的靜態(tài)成員變量的訪問。5.4.3synchronized塊

synchronized方法雖然可以解決同步的問題，但也存在缺陷，如果一個synchronized方法需要執(zhí)行很長時間，將會大大影響系統(tǒng)的效率。Java語言提供了一種解決辦法，就是synchronized塊?？梢酝ㄟ^synchronized關(guān)鍵字將一個程序塊聲明為synchronized塊，而不是整個方法聲明為synchronized方法。

synchronized塊的語法如下：

synchronized(syncObject){

//允許訪問控制的代碼

}

synchronized塊中的代碼必須獲得對象syncObject(可以是類實(shí)例或類)的鎖才能執(zhí)行，具體機(jī)制與synchronized方法相同。由于可以針對任意代碼塊，且可任意指定上鎖的對象，故靈活性較高。

程序5.6演示了如何使用synchronized塊。

【程序5.6】使用Synchronized塊的多線程程序。

classCallme

{

voidcall(Stringmsg)

{

synchronized(this){ System.out.print("["+msg);

try{

Thread.sleep(1000);

}catch(Exceptione){}

System.out.println("]");

}

}

}

classcallerimplementsRunnable

{

Stringmsg; Callmetarget;

publiccaller(Callmet,Strings)

{

target=t;

msg=s;

newThread(this).start();

}

publicvoidrun()

{

target.call(msg);

}}

publicclassSynBlock

{

publicstaticvoidmain(String[]args)

{

Callmetarget=newCallme();

newcaller(target,"Hello");

newcaller(target,"Synchronized");

newcaller(target,"World");

}

}程序運(yùn)行結(jié)果為

[Hello]

[Synchronized]

[World]

5.4.4線程的死鎖

線程同步雖然解決了對象訪問的沖突，但同步可能帶來其他的問題，死鎖就是其中之一。在編寫多線程程序時特別要注意防止死鎖。當(dāng)多個線程在一個給定的任務(wù)中協(xié)同作用、互相干涉，從而導(dǎo)致一個或者更多線程永遠(yuǎn)阻塞時，死鎖就發(fā)生了。例如，一個線程擁有對象A，另一個線程擁有對象B，第一個線程必須擁有對象B才能繼續(xù)，同樣第二個線程必須擁有對象A才能繼續(xù)，兩個線程相互等待對方釋放當(dāng)前擁有的對象，造成兩個線程阻塞，發(fā)生死鎖。

程序5.7演示了死鎖發(fā)生的過程。主線程首先創(chuàng)建一個新的線程并啟動，該線程執(zhí)行b.CallA()，鎖定對象b；然后調(diào)用a.CallB()，鎖定對象a。CallA()方法等待對象a才能返回，而CallB()方法等待對象b才能返回，如此相互等待，引起死鎖?！境绦?.7】死鎖的發(fā)生。

classA{

synchronizedvoidPrint()

{

System.out.println("APrint");

}

synchronizedvoid