《Java程序案例教程》課件第9章

第9章多線程9.1進程與線程

9.2認識線程

9.3線程的狀態(tài)

9.4線程操作的一些方法

9.1進?程?與?線?程

進程是程序的一次動態(tài)執(zhí)行過程，它經(jīng)歷了從代碼加載、執(zhí)行到執(zhí)行完畢的一個完整過程。這個過程也是進程本身從產(chǎn)生、發(fā)展到最終消亡的過程。多進程操作系統(tǒng)能同時運行多個進程(程序)，由于CPU具備分時機制，所以每個進程都能循環(huán)獲得自己的CPU時間片。由于CPU執(zhí)行速度非?？?，使得所有程序好像是在“同時”運行一樣。

線程是比進程更小的執(zhí)行單位，線程是進程內(nèi)部單一的一個順序控制流。所謂多線程，是指一個進程在執(zhí)行過程中可以產(chǎn)生多個線程，這些線程可以同時存在、同時運行，形成多條執(zhí)行線索。一個進程可能包含了多個同時執(zhí)行的線程。

多線程是實現(xiàn)并發(fā)機制的一種有效手段。進程和線程一樣，都是實現(xiàn)并發(fā)的一個基本單位。

線程和進程的主要差別體現(xiàn)在以下兩個方面：

(1)同樣作為基本的執(zhí)行單元，線程是劃分得比進程更小的執(zhí)行單位。

(2)每個進程都有一段專用的內(nèi)存區(qū)域。與此相反，線程卻共享內(nèi)存單元(包括代碼和數(shù)據(jù))，通過共享的內(nèi)存單元來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、實時通信與必要的同步操作。多線程的應(yīng)用范圍很廣。在一般情況下，程序的某些部分同特定的事件或資源聯(lián)系在一起，同時又不想為它暫停程序其他部分的執(zhí)行，在這種情況下，就可以考慮創(chuàng)建一個線程，令它與那個事件或資源關(guān)聯(lián)到一起，并讓其獨立于主程序運行。通過使用線程，可以避免用戶在運行程序和得到結(jié)果之間停頓，還可以讓一些任務(wù)(如打印任務(wù))在后臺運行，用戶則在前臺繼續(xù)完成其他工作?？傊?，利用多線程技術(shù)，編程人員可以方便地開發(fā)出能同時處理多個任務(wù)的功能強大的應(yīng)用程序。

9.2認識線程

在傳統(tǒng)的程序語言中，運行的順序總是必須順著程序的流程來走，遇到if-else語句就加以判斷，遇到for、while等循環(huán)會多繞幾個圈，最后程序還是按著一定的程序走，且一次只能運行一個程序塊。Java的“多線程”打破了這種傳統(tǒng)的束縛。例如，有些包含循環(huán)的線程可能要使用比較長的一段時間來運算，此時便可讓另一個線程來做其他處理。本節(jié)將用一個簡單的程序來說明單一線程與多線程的區(qū)別。ThreadDemo9_1是單一線程的范例，其程序代碼編寫方法與前幾節(jié)的程序代碼并沒有什么不同。

【例9-1】ThreadDemo9_1.java。程序說明：

(1)第15～21行定義了run()方法，用循環(huán)輸出10個連續(xù)的字符串。

(2)第5行創(chuàng)建TestThread對象之后調(diào)用run()方法，輸出“TestThread在運行”，最后執(zhí)行main()方法中的循環(huán)，輸出“main線程在運行”。

從本例中可看出，要想運行main()方法中的循環(huán)，必須要等TestThread類中的run()方法執(zhí)行完之后才可以運行，這便是單一線程的缺陷。在Java中，是否可以同時運行第9行與第19行的語句，使得“main線程在運行”和“TestThread在運行”交錯輸出呢？答案是肯定的，其方法是：在Java中激活多個線程。那么，該如何激活線程呢？如果在類里要激活線程，必須先做好下面兩個準備：

(1)線程必須擴展自Thread類，使自己成為它的子類。

(2)線程的處理必須編寫在run()方法內(nèi)。

9.2.1通過繼承Thread類實現(xiàn)多線程

Thread存放在java.lang類庫中，但并不需加載java.lang類庫，因為它會自動加載。此外，run()方法是定義在Thread類中的一個方法，因此把線程的程序代碼編寫在run()方法內(nèi)，事實上所做的就是覆蓋操作。因此要使一個類可激活線程，必須按照下面的語法來編寫：從運行結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，兩行輸出是交替進行的。也就是說，程序是采用多線程機制運行的。與之前的程序相比，修改后的程序第13行TestThread類繼承了Thread類，第5行調(diào)用的不再是run()方法，而是start()方法。所以，要啟動線程，必須調(diào)用Thread類之中的start()方法，而調(diào)用了start()方法，也就是調(diào)用了run()方法。

9.2.2通過實現(xiàn)Runnable接口實現(xiàn)多線程

Java程序只允許單一繼承，即一個子類只能有一個父類,所以在Java中如果一個類繼承了某一個類，同時又想采用多線程技術(shù)，就不能用Thread類產(chǎn)生線程，因為Java不允許多繼承，這時就要用Runnable接口來創(chuàng)建線程。程序說明：

(1)第5行實例化一個TestThread類的對象。

(2)第6行通過TestThread類(Runnable接口的子類)去實例化一個Thread類的對象，之后調(diào)用start()方法啟動多線程。

(3)第14行TestThread類實現(xiàn)了Runnable接口，同時復寫了Runnable接口之中的run()方法。也就是說，此類為一多線程實現(xiàn)類。

從輸出結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無論繼承了Thread類還是實現(xiàn)了Runnable接口，運行結(jié)果都是一樣的。為什么實現(xiàn)了Runnable接口還需要調(diào)用Thread類中的start()方法才能啟動多線程呢？通過查找JDK文檔就可以發(fā)現(xiàn)，在Runnable接口中只有一個run()方法，如圖9-1所示。圖9-1Runnable接口中的方法列表從圖9-1中可以看出，在Runnable接口中并沒有start()方法，所以一個類實現(xiàn)了Runnable接口也必須用Thread類中的start()方法來啟動多線程。這點可以通過查找JDK文檔中的Thread類知道。在Thread類之中，有這樣一個構(gòu)造方法：

publicThread(Runnabletarget)

由此構(gòu)造方法可以看出，可以將一個Runnable接口的實例化對象作為參數(shù)去實例化Thread類對象。在實際開發(fā)中，希望讀者盡可能使用Runnable接口去實現(xiàn)多線程機制。9.2.3兩種多線程實現(xiàn)機制的比較

由9.2.1節(jié)和9.2.2節(jié)可以看出，不管實現(xiàn)了Runnable接口還是繼承了Thread類其結(jié)果都是一樣的，那么這兩者之間有什么關(guān)系呢？讀者可以通過查看JDK文檔發(fā)現(xiàn)二者之間的聯(lián)系，如圖9-2所示。圖9-2Thread類與Runnable接口的關(guān)系從圖9-2中可以看出，Thread類實現(xiàn)了Runnable接口。也就是說，Thread類也是Runnable接口的一個子類。那么兩者之間除了這些聯(lián)系之外還有什么區(qū)別呢？下面通過編寫一個應(yīng)用程序來進行比較分析。下面程序是一個模擬鐵路售票系統(tǒng)的范例，實現(xiàn)四個售票點發(fā)售某日某次列車的車票20張，一個售票點用一個線程來表示。

【例9-4】ThreadDemo9_3.java。下例由ThreadDemo9_3的程序修改而成，這里讓main()方法中產(chǎn)生四個線程。

【例9-5】

修改后的ThreadDemo9_3.java。由于程序的輸出結(jié)果過長，所以只截取了后面一部分，但從這部分輸出結(jié)果中可以看出，這里啟動了四個線程對象，這四個線程對象各自占有各自的資源，所以可以得出結(jié)論：用Thread類實際上無法達到資源共享的目的。

那么實現(xiàn)Runnable接口會如何呢？下面這個例子也修改自ThreadDemo9_3，讀者可以觀察一下輸出結(jié)果。

【例9-6】ThreadDemo9_4.java。從上面的程序中可以看出，第7行到第10行啟動了四個線程，從程序的輸出結(jié)果來看，盡管啟動了四個線程對象，但是結(jié)果都操縱了同一個資源，實現(xiàn)了資源共享的目的。

可見，實現(xiàn)Runnable接口相對于繼承Thread類來說具有如下顯著優(yōu)勢：

(1)適合多個相同程序代碼的線程去處理同一資源的情況，把虛擬CPU(線程)同程序的代碼、數(shù)據(jù)有效分離，較好地體現(xiàn)了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想。

(2)可以避免由于Java的單繼承特性帶來的局限。開發(fā)中經(jīng)常碰到這樣一種情況，即：當要將已經(jīng)繼承了某一個類的子類放入多線程中時，由于一個類不能同時有兩個父類，所以不能用繼承Thread類的方式，那么就只能采用實現(xiàn)Runnable接口的方式。

(3)增強了程序的健壯性，代碼能夠被多個線程共享，代碼與數(shù)據(jù)是獨立的。當多個線程的執(zhí)行代碼來自同一個類的實例時，稱它們共享相同的代碼。多個線程可以操作相同的數(shù)據(jù)，與它們的代碼無關(guān)。當共享訪問相同的對象時，共享相同的數(shù)據(jù)。當線程被構(gòu)造時，需要的代碼和數(shù)據(jù)通過一個對象作為構(gòu)造函數(shù)實參傳遞進去，這個對象就是一個實現(xiàn)了Runnable接口的類的實例。

事實上，幾乎所有多線程應(yīng)用都可用第二種方式，即實現(xiàn)Runnable接口。

9.3線?程?的?狀?態(tài)

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)行的線索；對于Applet程序，主線程是指揮瀏覽器加載并執(zhí)行JavaApplet程序的線索。要想實現(xiàn)多線程，必須在主線程中創(chuàng)建新的線程對象。任何線程一般具有五種狀態(tài)，即創(chuàng)建、就緒、運行、阻塞、終止。線程狀態(tài)的轉(zhuǎn)移與方法之間的關(guān)系可用圖9-3來表示。圖9-3線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

1.創(chuàng)建狀態(tài)

在程序中用構(gòu)造方法創(chuàng)建了一個線程對象后，新的線程對象便處于新建狀態(tài)，此時它已經(jīng)有了相應(yīng)的內(nèi)存空間和其他資源，但還處于不可運行狀態(tài)。創(chuàng)建一個線程對象可采用線程構(gòu)造方法來實現(xiàn)，如Threadthread=newThread();。

2.就緒狀態(tài)

創(chuàng)建線程對象后，調(diào)用該線程的start()方法就可以啟動線程。當線程啟動時，線程進入就緒狀態(tài)。此時，線程將進入線程隊列排隊，等待CPU服務(wù)，這表明它已經(jīng)具備了運行

條件。

3.運行狀態(tài)

當就緒狀態(tài)的線程被調(diào)用并獲得處理器資源時，線程就進入了運行狀態(tài)。此時，自動調(diào)用該線程對象的run()方法。run()方法定義了該線程的操作和功能。

4.阻塞狀態(tài)

一個正在執(zhí)行的線程在某些特殊情況下，如被人為掛起或需要執(zhí)行耗時的輸入/輸出操作時，將讓出CPU并暫時中止自己的執(zhí)行，進入阻塞狀態(tài)。在可執(zhí)行狀態(tài)下，如果調(diào)用sleep()、suspend()、wait()等方法，線程都將進入阻塞狀態(tài)。阻塞時，線程不能進入排隊隊列，只有當引起阻塞的原因被消除后，線程才可以轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)。

5.終止狀態(tài)

線程調(diào)用stop()方法時或run()方法執(zhí)行結(jié)束后，線程即處于終止狀態(tài)。處于終止狀態(tài)的線程不具有繼續(xù)運行的能力。

9.4線程操作的一些方法

在Java實現(xiàn)多線程的程序中，雖然Thread類實現(xiàn)了Runnable接口，但是操作線程的主要方法并不在Runnable接口中，而是在Thread類中。表9-1列出了Thread類中的主要方法。表9-1Thread類中的主要方法9.4.1取得和設(shè)置線程的名稱

在Thread類中，可以通過getName()方法取得線程的名稱，通過setName()方法設(shè)置線程的名稱。線程的名稱一般在啟動線程前設(shè)置，但也允許為已經(jīng)運行的線程設(shè)置名稱。允許兩個Thread對象有相同的名字，但為了清晰，應(yīng)該盡量避免這種情況的發(fā)生。

另外，如果程序并沒有為線程指定名稱，則系統(tǒng)會自動為線程分配一個名稱。

【例9-7】GetNameThreadDemo.java。程序說明：

(1)第1行聲明一個GetNameThreadDemo類，此類繼承自Thread類，之后3～7行復寫Thread類中的run()方法。

(2)第8～14行聲明一個printMsg()方法，此方法用于取得當前線程的信息。在第11行，通過Thread類中的currentThread()方法，返回一個Thread類的實例化對象。由表9-1可知，此方法返回當前正在運行的線程，即返回正在調(diào)用此方法的線程。第12行通過調(diào)用Thread類中的getName()方法，返回當前運行線程的名稱。

(3)第6行和第21行分別調(diào)用了printMsg()方法，但第6行從多線程的run()方法中調(diào)用，而第21行從main()方法中調(diào)用。為什么程序中輸出的運行線程的名稱中會有一個main呢？這是因為main()方法也是一個線程，實際上在命令行中運行Java命令時，就啟動了一個JVM的進程，默認情況下此進程會產(chǎn)生兩個線程：一個是main()方法線程，另外一個就是垃圾回收(GC)線程。

下例介紹如何在線程中設(shè)置線程的名稱。

【例9-8】SetNameThreadDemo.java。9.4.2線程是否啟動的判斷

通過Thread類中的start()方法通知線程規(guī)劃器這個新線程已準備就緒，而且應(yīng)當在規(guī)劃器的最早方便時間調(diào)用它的run()方法。在程序中也可以通過isAlive()方法來測試線程是否已經(jīng)啟動而且仍然在啟動。

【例9-9】StartThreadDemo.java。程序說明：

(1)第20行在線程運行之前調(diào)用isAlive()方法，判斷線程是否啟動，但在此處并沒有啟動，所以返回“false”，表示線程未啟動。

(2)第22行在啟動線程之后調(diào)用isAlive()方法，此時線程已經(jīng)啟動，所以返回“true”。

(3)第28行在main()方法快結(jié)束時調(diào)用isAlive()方法，此時的狀態(tài)不再固定，有可能是true，也有可能是false。9.4.3后臺線程與setDaemon()方法

對Java程序來說，只要還有一個前臺線程在運行，這個進程就不會結(jié)束；如果一個進程中只有后臺線程在運行，這個進程就會結(jié)束。前臺線程是相對于后臺線程而言的，前面所介紹的線程都是前臺線程。那么什么樣的線程是后臺線程呢？如果某個線程對象在啟動(調(diào)用start()方法)之前調(diào)用了setDaemon(true)