Java語言程序設(shè)計第08章.ppt

第8章 多線程編程,支持多線程編程是Java語言的又一大特色。多線程是相對于進程或單線程而言的，它具有并發(fā)性、執(zhí)行效率高的特點。本章將對Java中的多線程編程作初步介紹。,8.1 多線程編程概述 8.2 線程的創(chuàng)建 8.3 線程的優(yōu)先級 8.4 線程同步 8.5 線程間通信 8.6 線程的控制,Return,8.1 多線程編程概述,本節(jié)介紹多線程編程的基礎(chǔ)知識，包括多線程的基本概念、Java的線程模型（線程優(yōu)先級、同步性、消息傳遞）等方面的內(nèi)容。,8.1.1 什么是多線程 8.1.2 Java線程模型,Return,8.1.1 什么是多線程,同其他大多數(shù)編程語言不同，Java內(nèi)置支持多線程編程（multithreaded programming）。多線程程序包含兩條或兩條以上并發(fā)運行的部分，把程序中每個這樣的部分都叫作一個線程（thread）。每個線程都有獨立的執(zhí)行路徑，因此多線程是多任務(wù)處理的一種特殊形式。 讀者可能知道多任務(wù)處理，它實際上被所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)所支持。然而，多任務(wù)處理有兩種截然不同的類型：基于進程的和基于線程的。搞清楚兩者的區(qū)別是很重要的。對大多數(shù)讀者來說，基于進程的多任務(wù)處理是更熟悉的形式。進程（process）本質(zhì)上是一個執(zhí)行的程序。因此基于進程的多任務(wù)處理的特點是允許你的計算機同時運行兩個或更多的程序。舉例來說，基于進程的多任務(wù)處理使你在運用文本編輯器的時候可以同時運行Java編譯器。在基于進程的多任務(wù)處理中，程序是調(diào)度程序所分派的最小代碼單位。 而在基于線程（thread-based）的多任務(wù)處理環(huán)境中，線程是最小的執(zhí)行單位。這意味著一個程序可以同時執(zhí)行兩個或者多個任務(wù)的功能。例如，一個文本編輯器可以在打印的同時格式化文本。所以，多進程程序處理“大圖片”，而多線程程序處理細節(jié)問題。,Return,多線程程序比多進程程序需要更少的管理費用。進程是重量級的任務(wù)，需要分配給它們獨立的地址空間。進程間通信是昂貴和受限的。進程間的轉(zhuǎn)換也是很需要花費的。另一方面，線程是輕量級的選手。它們共享相同的地址空間并且共同分享同一個進程。線程間通信是便宜的，線程間的轉(zhuǎn)換也是低成本的。當Java程序使用多進程任務(wù)處理環(huán)境時，多進程程序不受Java的控制，而多線程則受Java控制。 多線程可幫助你編寫出CPU最大利用率的高效程序，使得空閑時間保持最低。這對Java運行的交互式的網(wǎng)絡(luò)互連環(huán)境是至關(guān)重要的，因為空閑時間是公共的。例如，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率遠低于計算機處理能力，而本地文件系統(tǒng)資源的讀寫速度也遠低于CPU的處理能力。當然，用戶輸入也比計算機慢很多。在傳統(tǒng)的單線程環(huán)境中，程序必須等待每一個這樣的任務(wù)完成以后才能執(zhí)行下一步盡管CPU有很多空閑時間。多線程使你能夠獲得并充分利用這些空閑時間。,8.1.2 Java線程模型,Java運行系統(tǒng)在很多方面依賴于線程，所有的類庫設(shè)計都考慮到多線程。實際上，Java使用線程來使整個環(huán)境異步。這有利于通過防止CPU循環(huán)的浪費來減少無效部分。 為更好地理解多線程環(huán)境的優(yōu)勢，我們可以將它與它的對照物相比較。單線程系統(tǒng)的處理途徑是使用一種叫作輪詢的事件循環(huán)方法。在該模型中，單線程控制在一無限循環(huán)中運行，輪詢一個事件序列來決定下一步做什么。一旦輪詢裝置返回信號表明已準備好讀取網(wǎng)絡(luò)文件，事件循環(huán)調(diào)度控制管理到適當?shù)氖录幚沓绦?。直到事件處理程序返回，系統(tǒng)中沒有其他事件發(fā)生。這就浪費了CPU時間。這導(dǎo)致了程序的一部分獨占了系統(tǒng)，阻止了其他事件的執(zhí)行?？偟膩碚f，單線程環(huán)境，當一個線程因為等待資源時阻塞（block，掛起執(zhí)行），整個程序停止運行。,Java多線程的優(yōu)點就在于取消了主循環(huán)/輪詢機制。一個線程可以暫停而不影響程序的其他部分。例如，當一個線程從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)或等待用戶輸入時產(chǎn)生的空閑時間可以被利用到其他地方。多線程允許活的循環(huán)在每一幀間隙中沉睡一秒而不暫停整個系統(tǒng)。在Java程序中出現(xiàn)線程阻塞，僅有一個線程暫停，其他線程繼續(xù)運行。 線程存在多種狀態(tài)。線程可以正在運行（running），只要獲得了CPU時間它就可以運行；運行的線程可以被掛起（suspend），并臨時中斷它的執(zhí)行；一個掛起的線程可以被恢復(fù)（resume），允許它從停止的地方繼續(xù)運行；一個線程可以在等待資源時被阻塞（block）；在任何時候，線程可以被終止（terminate），這將立即中斷運行。一旦終止，線程不能被恢復(fù)。線程的各狀態(tài)間關(guān)系見教材P190頁圖8-1所示。,下面簡要介紹與Java線程相關(guān)的幾個概念,Java給每個線程安排優(yōu)先級以決定與其他線程比較時該如何對待該線程。線程優(yōu)先級是詳細說明線程間優(yōu)先關(guān)系的整數(shù)。作為絕對值，優(yōu)先級是毫無意義的；當只有一個線程時，優(yōu)先級高的線程并不比優(yōu)先級低的線程運行的快。相反，線程的優(yōu)先級是用來決定何時從一個運行的線程切換到另一個。這叫“上下文轉(zhuǎn)換”（context switch）。決定上下文轉(zhuǎn)換發(fā)生的規(guī)則很簡單： l線程可以自動放棄控制。在I/O未決定的情況下，睡眠或阻塞由明確的讓步來完成。在這種假定下，所有其他的線程被檢測，準備運行的最高優(yōu)先級線程被授予CPU。 l線程可以被高優(yōu)先級的線程搶占。在這種情況下，低優(yōu)先級線程不主動放棄，處理器只是被先占無論它正在干什么處理器被高優(yōu)先級的線程占據(jù)?；旧?，一旦高優(yōu)先級線程要運行，它就執(zhí)行。這叫做有優(yōu)先級的多任務(wù)處理。 當兩個相同優(yōu)先級的線程競爭CPU周期時，情形有一點復(fù)雜。對于Windows這樣的操作系統(tǒng)，等優(yōu)先級的線程是在循環(huán)模式下自動劃分時間的。對于其他一些非Windows操作系統(tǒng)而，如Solaris 2.x，等優(yōu)先級線程相對于它們的對等體自動放棄。如果不這樣，其他的線程就不會運行。,1線程優(yōu)先級,2同步性,由于多線程在程序中引入了一個異步行為，故在需要的時候必須有加強同步性的方法。舉例來說，如果你希望兩個線程相互通信并共享一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如鏈表序列，就需要某些方法來確保它們沒有相互沖突。也就是說，你必須防止一個線程寫入數(shù)據(jù)而另一個線程正在讀取鏈表中的數(shù)據(jù)。為此，Java在進程間同步性的老模式基礎(chǔ)上實行了另外的一種方法：管程（monitor）。管程是一種由C.A.R.Hoare首先定義的控制機制。你可以把管程想象成一個僅控制一個線程的小盒子。一旦線程進入管程，所有線程必須等待直到該線程退出了管程。用這種方法，管程可以用來防止共享的資源被多個線程操縱。 很多多線程系統(tǒng)將管程作為程序必須明確的引用和操作的對象。但Java提供一個清晰的解決方案，不提供“Monitor”類；相反，每個對象都擁有自己的隱式管程，當對象的同步方法被調(diào)用時管程自動載入。一旦一個線程包含在一個同步方法中，沒有其他線程可以調(diào)用相同對象的同步方法。這就使你可以編寫非常清晰和簡潔的多線程代碼，因為同步支持是語言內(nèi)置的。,3消息傳遞,當把程序分成若干線程后，就要定義各線程之間的聯(lián)系。用大多數(shù)其他語言規(guī)劃時必須依賴于操作系統(tǒng)來確立線程間通信，這樣當然要增加花費。然而，Java提供了多線程間談話清潔的、低成本的途徑通過調(diào)用所有對象都有的預(yù)先確定的方法。Java的消息傳遞系統(tǒng)允許一個線程進入一個對象的一個同步方法，然后在那里等待，一直等到其他線程明確通知它出來。,Return,Java的多線程系統(tǒng)建立于Thread類、方法以及共伴接口Runnable基礎(chǔ)上。Thread類封裝了線程的執(zhí)行。既然不能直接引用運行著的線程的狀態(tài)，就要通過它的代理處理它。于是Thread 實例產(chǎn)生了。為創(chuàng)建一個新的線程，程序中必須擴展Thread 或?qū)崿F(xiàn)Runnable接口。Thread類定義了好幾種方法來幫助管理線程，見教材P192頁表8-1中所列。,4Thread類和Runnable接口,8.2 線程的創(chuàng)建,本節(jié)介紹在Java中如何創(chuàng)建線程。主要內(nèi)容包括主線程、多線程的創(chuàng)建、相關(guān)方法的使用等。,8.2.1 關(guān)于主線程 8.2.2 創(chuàng)建一個線程 8.2.3 創(chuàng)建多線程 8.2.4 使用isAlive()和join(),Return,8.2.1 關(guān)于主線程,當Java程序啟動時，一個線程立刻運行，該線程通常就叫做程序的主線程（main thread），因為它是程序開始時就執(zhí)行的。主線程的重要性主要體現(xiàn)在兩方面： l它是產(chǎn)生其他子線程的線程； l通常它必須最后完成執(zhí)行，因為它執(zhí)行各種關(guān)閉動作。 盡管主線程在程序啟動時自動創(chuàng)建，但它可以由一個Thread對象控制。為此，必須調(diào)用方法currentThread()獲得它的一個引用，currentThread()是Thread類的公有的靜態(tài)成員。它的一般形式如下 static Thread currentThread() 該方法返回一個調(diào)用它的線程的引用。一旦獲得主線程的引用，就可以像控制其他線程那樣控制主線程。 下面我們考察一下教材P192193頁的程序代碼。 在上面的程序中，當前線程（當然是主線程）的引用通過調(diào)用currentThread()獲得，該引用保存在局部變量t中。然后，程序顯示了線程的信息。接著，程序調(diào)用setName()改變線程的內(nèi)部名稱，線程信息又被顯示。然后，一個循環(huán)數(shù)從5開始遞減，每數(shù)一次暫停一秒。暫停是由sleep()方法來完成的，sleep()語句明確規(guī)定延遲時間是1毫秒。請讀者注意循環(huán)外的try/ catch塊。Thread類的sleep()方法可能引發(fā)一個InterruptedException異常，這種情形會在其他線程想要打攪沉睡線程時發(fā)生。本例只是打印了它是否被打斷的消息。在實際的程序中，必須靈活處理此類問題。,Return,8.2.2 創(chuàng)建一個線程,大多數(shù)情況，通過實例化一個Thread對象來創(chuàng)建一個線程。Java定義了兩種方式： l實現(xiàn)Runnable 接口； l以繼承Thread類的方式。,創(chuàng)建線程最簡單的方法就是創(chuàng)建一個實現(xiàn)Runnable 接口的類，Runnable抽象了一個執(zhí)行代碼單元?？梢酝ㄟ^實現(xiàn)Runnable接口的方法創(chuàng)建每一個對象的線程。為實現(xiàn) Runnable 接口，一個類僅需實現(xiàn)一個run()的簡單方法，該方法聲明如下： public void run() 在run()中，可以定義代碼來構(gòu)建新的線程。重要的是：run()方法能夠像主線程那樣調(diào)用其他方法，引用其他類，聲明變量。僅有的不同是：run()在程序中確立另一個并發(fā)的線程執(zhí)行入口。當run()返回時，該線程結(jié)束。 在已經(jīng)創(chuàng)建了實現(xiàn)Runnable接口的類以后，需要在類內(nèi)部實例化一個Thread類的對象。Thread 類定義了好幾種構(gòu)造函數(shù)。我們會用到的如下： Thread(Runnable threadOb, String threadName) 在該構(gòu)造函數(shù)中，threadOb是一個實現(xiàn)Runnable接口類的實例。這定義了線程執(zhí)行的起點，新線程的名稱由threadName定義。 建立新的線程后，它并不運行直到調(diào)用其start()方法，該方法在Thread 類中定義。從本質(zhì)上講，start()執(zhí)行的是一個對run()的調(diào)用。start()方法聲明如下： void start( ),下面我們分別對這兩種方法進行介紹：,1實現(xiàn)Runnable接口,2擴展Thread,創(chuàng)建線程的另一個途徑是創(chuàng)建一個新類來擴展Thread類，然后再創(chuàng)建該類的實例。當一個類繼承Thread時，它必須重載run()方法，這個run()方法是新線程的入口。同時，它也必須調(diào)用start()方法去啟動新線程執(zhí)行。,Return,到這里，讀者可能會奇怪為什么Java有兩種創(chuàng)建子線程的方法，哪一種更好呢。所有的問題都歸于一點。Thread類定義了多種方法可以被派生類重載。對于所有的方法，唯一的必須被重載的是run()方法。這當然是實現(xiàn)Runnable接口所需的同樣的方法。很多Java程序員認為類僅在它們被加強或修改時被擴展。因此，如果你不重載Thread的其他方法，最好只實現(xiàn)Runnable 接口，這當然由自己決定。在本章的其他部分，我們應(yīng)用實現(xiàn)Runnable接口的類來創(chuàng)建線程。,3選擇合適的方法,8.2.3 創(chuàng)建多線程,到目前為止，我們僅用到兩個線程：主線程和一個子線程。然而，我們完全可以創(chuàng)建所需的更多線程。例如，教材P197198頁的程序創(chuàng)建了3個子線程。詳細分析該程序。,Return,8.2.4 使用isAlive()和join(),如前所述，我們一般是希望主線程最后結(jié)束。在上面的例子中，這點是通過在main()中調(diào)用sleep()來實現(xiàn)的，經(jīng)過足夠長時間的延遲以確保所有子線程都先于主線程結(jié)束。然而，這并不是一個好的解決方法。因為有時候存在這個問題：一個線程如何知道另一線程已經(jīng)結(jié)束？幸運的是，Thread類提供了解決此問題的有效方法。 有兩種方法可以判定一個線程是否結(jié)束：第一，可以在線程中調(diào)用isAlive()。這種方法由Thread定義，它的一般形式如下 final boolean isAlive() 如果所調(diào)用線程仍在運行，isAlive()方法返回true，如果不是則返回false。 但isAlive()很少用到，等待線程結(jié)束的更常用的方法是調(diào)用join()，描述如下 final void join() throws InterruptedException 該方法等待所調(diào)用線程結(jié)束，該名字來自于要求線程等待直到指定線程參與的概念。join()的附加形式允許給等待指定線程結(jié)束定義一個最大時間。詳細分析教材P199200頁的程序。,Return,8.3 線程的優(yōu)先級,線程優(yōu)先級被線程調(diào)度用來判定何時某個線程允許運行。理論上，優(yōu)先級高的線程比優(yōu)先級低的線程獲得更多的CPU時間。實際上，線程獲得的CPU時間通常由包括優(yōu)先級在內(nèi)的多個因素決定。一個優(yōu)先級高的線程自然比優(yōu)先級低的線程優(yōu)先。 理論上，等優(yōu)先級線程有同等的權(quán)利使用CPU，但你必須小心。需要記住的是，Java是被設(shè)計成能在很多環(huán)境下工作的。不同環(huán)境下實現(xiàn)多任務(wù)處理從本質(zhì)上來看是可能的。為安全起見，等優(yōu)先級線程有時候也受到控制。這保證了所有線程在無優(yōu)先級的操作系統(tǒng)下都有機會運行。實際上，在無優(yōu)先級的環(huán)境下，多數(shù)線程仍然有機會運行，因為很多線程不可避免地會遭遇阻塞，例如等待輸入輸出。遇到這種情形，阻塞的線程掛起，其他線程運行。但是如果你希望多線程執(zhí)行得順利的話，最好不要采用這種方法。同樣，有些類型的任務(wù)是占CPU的。對于這些支配CPU類型的線程，有時你希望能夠支配它們，以便使其他線程可以運行。 設(shè)置線程的優(yōu)先級，用setPriority()方法，該方法也是Thread的成員。它的通常形式為 final void setPriority(int level) 這里，level指定了對所調(diào)用的線程的新的優(yōu)先權(quán)的設(shè)置。Level的值必須在MIN_PRIORITY到MAX_PRIORITY范圍內(nèi)。通常，它們的值分別是1和10。要返回一個線程為默認的優(yōu)先級，指定NORM_PRIORITY，通常值為5。這些優(yōu)先級在Thread中都被定義為final型變量。,Return,8.4 線程同步,當兩個或兩個以上的線程需要共享資源，它們需要某種方法來確定資源在某一刻僅被一個線程占用，達到此目的的過程叫做同步（synchronization）。Java為此提供了獨特的、很有效的支持機制。,8.4.1 使用同步方法 8.4.2 同步語句,Return,8.4.1 使用同步方法,同步的關(guān)鍵是管程（也叫信號量，即semaphore）的概念。管程是一個互斥獨占鎖定的對象，或稱互斥體（mutex）。在給定的時間，僅有一個線程可以獲得管程。當一個線程需要鎖定時，它必須進入管程。所有其他的試圖進入已經(jīng)鎖定的管程的線程必須掛起直到第一個線程退出管程。這些其他的線程被稱為等待管程。 我們可以用兩種方法同步化代碼。通過調(diào)用sleep()，call()方法允許執(zhí)行轉(zhuǎn)換到另一個線程。兩者都包括synchronized關(guān)鍵字的運用。分析教材P204頁的示例。,Return,8.4.2 同步語句,盡管在創(chuàng)建的類的內(nèi)部創(chuàng)建同步方法是獲得同步的簡單和有效的方法，但它并非在任何時候都有效。假設(shè)你想獲得不為多線程訪問設(shè)計的類對象的同步訪問，也就是該類沒有用到synchronized方法。而且，該類不是你自己，而是第三方創(chuàng)建的，就不能獲得它的源代碼。這樣，就不能在相關(guān)方法前加synchronized修飾符。怎樣才能使該類的一個對象同步化呢？解決的方法很簡單：只需將對這個類定義的方法的調(diào)用放入一個synchronized塊內(nèi)就可以了。 下面是synchronized語句的一般形式 synchronized(object) / statements to be synchronized 其中，object是對同步對象的引用。如果你想要同步的只是一個語句，那么不需要花括號。一個同步塊確保對object成員方法的調(diào)用僅在當前線程成功進入object管程后發(fā)生。,Return,8.5 線程間通信,前面的例子無條件地阻塞了其他線程異步訪問某個方法。Java對象中隱式管程的應(yīng)用是很強大的，但是我們可以通過進程間通信達到更微妙的境界，這在Java中是很簡單的。,8.5.1 Java中的線程通訊 8.5.2 關(guān)于死鎖,Return,8.5.1 Java中的線程通訊,多線程通過把任務(wù)分成離散的和合乎邏輯的單元代替了事件循環(huán)程序。線程還有另外一個優(yōu)點：它遠離了輪詢。輪詢通常由重復(fù)監(jiān)測條件的循環(huán)實現(xiàn)。一旦條件成立，就要采取適當?shù)男袆?。這浪費了CPU時間。 為避免輪詢，Java包含了通過wait()，notify()和notifyAll()方法實現(xiàn)的一個進程間通信機制。這些方法在對象中是用final方法實現(xiàn)的，所以所有的類都含有它們。這三個方法僅在synchronized方法中才能被調(diào)用。盡管這些方法從計算機科學(xué)遠景方向上來說具有概念的高度先進性，實際中用起來卻是很簡單的。 wait()告知被調(diào)用的線程放棄管程進入睡眠直到其他線程進入相同管程并且調(diào)用notify()。 notify()恢復(fù)相同對象中第一個調(diào)用wait()的線程。 notifyAll()恢復(fù)相同對象中所有調(diào)用wait()的線程。 這些方法在Object中被聲明，如下所示 final void wait() throws InterruptedException final void notify() final void notifyAll() wait()存在的另外的形式允許你定義等待時間。分析教材P207210頁的程序段。,Return,8.5.2 關(guān)于死鎖,需要避免的與多任務(wù)處理有關(guān)的特殊錯誤類型是死鎖（deadlock）。死鎖發(fā)生在當兩個線程對一對同步對象有循環(huán)依賴關(guān)系時。例如，假定一個線程進入了對象X的管程而另一個線程進入了對象Y的管程。如果X的線程試圖調(diào)用Y的同步方法，它將像預(yù)料的一樣被鎖定。而Y的線程同樣希望調(diào)用X的一些同步方法，線程永遠等待，因為為到達X，必須釋放自己的Y的鎖定以使第一個線程可以完成。死鎖是很難調(diào)試的錯誤，這是因為：第一，通常它極少發(fā)生，只有到兩線程的時間段剛好符合時才能發(fā)生；第二，它可能包含多于兩個的線程和同步對象。也就是說，死鎖在比剛講述的例子有更多復(fù)雜的事件序列的時候可以發(fā)生。 為充分理解死鎖，觀察它的行為是很有用的。教材P211212頁的例子生成了兩個類，A和B，分別有foo()和bar()方法。這兩種方法在調(diào)用其他類的方法前有一個短暫的停頓。主類，名為Deadlock，創(chuàng)建了A和B的實例，然后啟動第二個線程去設(shè)置死鎖環(huán)境。foo()和bar()方法使用sleep()強迫死鎖現(xiàn)象發(fā)生。 程序死鎖，需要按CTRL-C來結(jié)束程序。在PC機上按CTRL-BREAK（或在Solaris下按CTRL-）可以看到全線程和管程緩沖堆。,Return,8.6 線程的控制,本節(jié)討論有關(guān)線程控制的問題，包括線程的掛起、恢復(fù)、終止等方面的問題。,8.6.1 掛起、恢復(fù)和終止線程 8.6.2 Java 2中的線程控制 8.6.3 使用instanceof,Return,8.6.1 掛起、恢復(fù)和終止線程,有時，線程的掛起是很有用的。例如，一個獨立的線程可以用來顯示當日的時間。如果用戶不希望用時鐘，線程被掛起。在任何情形下，掛起線程是很簡單的，一旦掛起，重新啟動線程也是一件簡單的事。 掛起、終止和恢復(fù)線程機制在Java 2和早期版本中有所不同。盡管你運用Java 2的途徑編寫代碼，仍需了解這些操作在早期Java環(huán)境下是如何完成的。例如，也許你需要更新或維護老的代碼，就需要了解為什么Java 2會有這樣的變化。因為這些原因，下面內(nèi)容說明了執(zhí)行線程控制的原始方法，接著是Java 2的方法。 先于Java2的版本（Java 1.1或更早版本），程序用Thread 定義的suspend() 和 resume() 來暫停和再啟動線程。它們的形式如下。 final void suspend() final void resume() Thread類同樣定義了stop()來終止線程，其形式如下： void stop() 一旦線程被終止，它不能被resume() 恢復(fù)繼續(xù)運行。,Return,8.6.2 Java 2中的線程控制,在Java 2中不能使用suspend()，resume()和stop() 方法來控制線程，讀者也許會想那就沒有辦法來停止、恢復(fù)和結(jié)束線程，其實不然。相反，線程必須被設(shè)計成使用run()方法定期檢查來判定線程是否應(yīng)該被掛起，恢復(fù)或終止它自己的執(zhí)行。有代表性的，這由建立一個指示線程狀態(tài)的標志變量來完成。只要該標志設(shè)為“running”，run()方法必須繼續(xù)讓線程執(zhí)行。如果標志設(shè)為“suspend”，線程必須暫停。若設(shè)為“stop”，線程必須終止。當然，編寫這樣的代碼有很多方