JAVA多线程详解.doc

第8章 多线程8.1 线程的基本概念要深入了解线程，先要弄清楚程序、进程与线程3个相互关联的基本概念。l 程序：程序是一段代码，是计算机执行的蓝本。编写程序就是希望计算机按程序蓝本执行。l 进程：进程是程序的一次执行过程，从代码加载、执行，直至完成的一个完整的过程。这个过程也是进程从产生、运行至消亡的过程。程序与进程之间的关系如同乐谱和一次演奏的关系。乐谱好比程序，演奏好比进程，演奏的依据是乐谱进程执行的依据是程序。l 线程：线程是一个控制流，也是一个执行过程，但执行单位比进程小。一个进程在其执行过程中，可以产生多个线程，形成多条执行线索。每条线索，即每个线程也有它自身的产生、运行和消亡的过程。如果把进程比作一次乐曲的演奏，线程可以比作每个乐师的奏乐。从外面看，一场音乐会给人们一次美好的音乐享受；从内部看，每个乐师正在按要求认真工作。乐师在工作时，相互之间有协调和配合。线程与进程比较，它们的共同点，都是程序的一个执行过程。不同点是进程是一个实体，每个进程有自己的状态、专用数据段（独立内存资源）；同一个进程下的线程则共享进程的数据段。创建进程时，必须建立其专用数据段；创建线程时不必建立新的数据段。线程不是能够独立运行的程序，而只是某个进程内的一个执行流。线程的建立和线程间的切换速度大大超过进程，不需要数据段的保护和恢复。同时，又具备进程的大多数优点，所以线程的执行效率比进程的执行效率高。缺点是由于多个线程共享数据段，带来数据访问中的相斥和同步问题，使系统管理变得复杂。多线程在提高输入/输出设备平行工作能力、有效利用系统资源、改善计算机通信及发挥硬件的多处理器功能等方面有很多的优势。8.1.1 线程的生命周期一个线程“创建工作死亡”的过程称为线程的生命周期。线程生命周期共有五个状态：新建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和死亡状态。1. 新建状态新建状态是指创建了一个线程，但它们还没有启动。处于新建状态的线程对象，只能够被启动或者终止。例如，以下代码使线程myThread处于新建状态：Thread myThread=new Thread（）；2. 就绪状态就绪状态是当线程处于新建状态后，调用了start（）方法，线程就处于就绪状态。就绪状态线程具备了运行条件，但尚未进入运行状态。处于就绪状态的线程可以多个，这些就绪状态的线程将在就绪队列中排队，等待CPU资源。就绪状态的线程通过线程调度获得CPU资源变成运行状态。例如，以下代码使myThread处于就绪状态。myThread.start（）；3. 运行状态运行状态是某个就绪状态的线程获得CPU资源，正在运行。如果有更高优先级的线程进入就绪状态，则该线程将被迫放弃对CPU的控制器，加入就绪状态。使用yield（）方法可以使线程主动放弃CPU。线程也可能由于结束或执行stop（）方法进入死亡状态。每个线程对象都有一个run（）方法，当线程对象开始执行时，系统就调用对象的run（）方法。4. 阻塞状态柱塞状态是正在运行的线程遇到某个特殊情况。例如，延迟、挂起、等待I/O操作完成等，进入柱塞状态的线程让出CPU，并暂时停止自己的执行。线程进入柱塞状态后，就一直等待，直到引起柱塞的原因被消失，线程有转入就是状态，重新进入就绪列队排列。当线程再次变成运行状态时，将从暂停处开始继续运行。线程从柱塞状态恢复到就绪状态，有三种途径：（1） 自动恢复：（2） 用resume（）方法恢复：（3） 用notif（）或nitifyAll（）方法通知恢复。也可能因为别的线程强制某个处于阻塞状态的线程终止，该线程就从阻塞状态进入死亡状态。5. 死亡状态死亡状态是指线程不再具有继续运行的能力，也不能再转到其他状态。一般有两种情况使一个线程终止，进入死亡状态。（1） 线程完成了全部工作，即执行完run（）方法的最后一条语句。（2） 线程被提前强制性终止。图8.1是线程的生命周期图，图中给出从一种状态转变成另一种状态的各种可能的原因。新建就绪延迟死亡等待阻塞Start运行dispatch（assign a processorquantumexpirationyieldInterruptI/O completionSleep Interval expiresNodify或nodifyallissue I/Ocompletesleepwait图8.1 线程的生命周期图8.1.2 线程调度与优先级Java提供一个线程调度器来监视和控制就绪状态的线程。线程的调度策略采用抢占式，优先级高的线程比优先级低的线程优先执行。在优先级相同的情况下，就按“先到先服务”的原则。线程的优先级用数值表示，数值越大优先级越高（范围110）。每个线程根据继承特性自动从父进程获得一个线程的优先级，也可在程序中重新设置。对于任务较紧急的重要线程，可安排较高的优先级。相反，则给一个较低的优先级。每个Java程序都有一个默认的主线程，就是通过JVM（Java Virtual Machine，Java虚拟机）启动的第一个线程。对于应用程序，主线程执行的是main（）方法。对于Applet，主线程是指浏览器加载并执行小应用程序的哪一个线程。子程序是由应用程序创建的线程。另有一种线程称为守护线程（Daemon），这是一种用于监视其他线程工作的服务线程，它的优先级最低。8.2 Thread类和Runnable接口Java程序实现多线程应用有两种途径：l 一是继承Thread类声明Thread子类，用Thread子类创建线程对象。l 二是在类中实现Runnable接口，在类中提供Runnable接口的run（）方法。无论用哪种方法，都需要Java基础类库中的Thread类及其方法的支持。程序员能控制的关键性工作有两个方面：l 一是编写线程的run（）方法；l 二是建立线程实例。8.2.1 Thread类Thread类是用来创建线程和提供线程操作的类。1. Thread类提供的方法Thread类为创建线程和线程控制提供以下常用的方法：（1） Thread（），创建一个线程。线程名按创建顺序为Thread_1、Thread_2等。（2） Thread（String m），创建一个以m命名的线程。（3） Thread（Runnable target），创建线程，参数target是创建线程的目标。目标是一个对象，对象的类要实现Runnable接口，类中给出接口的run（）方法。（4） public Thread（Runnable target，String m），创建线程，参数target是创建线程的目标。m是线程名。（5） Thread（ThreadGroup g，String m），创建一个以m命名的线程，该线程属于指定的线程组g。（6） Thread（ThreadGroup g，Runnable target），创建一个属于指定线程组g的线程，target是线程的目标。（7） Thread（ThreadGroup g，Runnable target，String m），创建一个线程，名为m，属于指定线程组g，target是线程的目标。（8） getPriority（），获得线程的优先级。（9） set Priority（int p），设定线程的优先级为p。线程创建时，子线程继承父线程的优先级。优先级的数值越大优先级越高（缺省是5）。常用以下3个优先级：l Thread.MIN_PRIORITY（最低）l Thread.MAX_PRIORITY（最高）l Thread.NORM_PRIORITY（标准）（A） start（），启动线程，让线程从新建状态到就绪状态。（B） run（），实现线程行为（操作）的方法。（C） sleep（int dt）让线程休眠dt时间，单位是毫秒。例如代码 sleep（100）；让线程休眠100毫秒时间段。在以后的这个时间段中，其他线程就会有机会被执行。当休眠时间一到，将重新到就绪队列排序。由于sleep（）方法可能会产生Interrupt Expiration异常，应将sleep方法写在try块中，并用catch块处理异常。sleep（）方法是static方法，不可重载。（D） currentThread（），获得当前正在占有CPU的能个线程。（E） getName（），获取线程的名字。（F） setName（），设置线程的名字。（G） isAlive（），返回boolean类型值，查询线程是否还活跃。（H） destroy（），强制线程生命周期结束。（I） stop（），强制线程生命周期结束，并完成一些清理工作，及抛出异常。有时，小应用程序的界面已从屏幕消失，但并没有停止线程的执行，会一直到浏览器关闭才结束。因此要在小应用程序的stop（）方法中终止线程的执行。（J） suspend（），挂起线程，处于不可运行的阻塞状态。（K） resume（），恢复挂起的线程，重新进入就绪队列排队。（L） yield（），暂停当前正在执行的线程，若就绪队列中有与当前线程同优先级的线程，则当前线程让出CPU控制权，移到就绪队列的队尾。若队列中没有同优先级或更高优先级的线程，则当前线程继续执行。2. 用Thread子类实现多线程用Thread子类实现多线程，得先声明一个Thread类的子类，并在子类中重新定义run（）方法。当程序需要建立线程时，就可以创建Thread子类的实例，并让创建的线程调用start（）方法，这时，run（）方法将自动执行。【例8.1】应用程序用Thread子类实现多线程。在main（）方法中创建了两个线程threadA和threadB，它们分别是Thread子类threadA和threadB的实例，并分别调用它们的start（）方法启动它们。threadA先调用start（）方法，类threadA中的run（）方法将自动执行。由于threadA线程先执行，它的run（）方法输出“我是threadA”和当时的时间后，threadA线程主动休息2000毫秒，让出CPU。这时正在等待CUP的threadB线程获得CPU资源，执行它的run（）方法，输出“我是threadB”和当时的时间，threadB线程主动让出CPU，1000毫秒后又来排队等待CPU资源。过了1000毫秒后，这时threadA线程还没有“醒了”，因此有轮到threadB执行。再次输出“我是threadB”import java.util.Date;public class Example8_1 static Athread threadA;static Bthread threadB;public static void main(String args)threadA=new Athread();threadB=new Bthread();threadA.start();threadB.start();class Athread extends Threadpublic void run()Date timeNew;/为了能输出当时的时间for(int i=0;i=5;i+)timeNew=new Date();System.out.println(我是threadA：+timeNew.toString();trysleep(2000);catch(InterruptedException e)class Bthread extends Threadpublic void run()Date timeNew;/为了能输出当时的时间for(int i=0;i=5;i+)timeNew=new Date();System.out.println(我是threadB：+timeNew.toString();trysleep(1000);catch(InterruptedException e)以下是例8.1程序执行的输出结果，从输出清单中可发现两线程的输出频度的差异。我是threadB：Thu Feb 16 17:26:06 CST 2012我是threadA：Thu Feb 16 17:26:06 CST 2012我是threadB：Thu Feb 16 17:26:07 CST 2012我是threadB：Thu Feb 16 17:26:08 CST 2012我是threadA：Thu Feb 16 17:26:08 CST 2012我是threadB：Thu Feb 16 17:26:09 CST 2012我是threadB：Thu Feb 16 17:26:10 CST 2012我是threadA：Thu Feb 16 17:26:10 CST 2012我是threadB：Thu Feb 16 17:26:11 CST 2012我是threadA：Thu Feb 16 17:26:12 CST 2012我是threadA：Thu Feb 16 17:26:14 CST 2012我是threadA：Thu Feb 16 17:26:16 CST 20128.2.2 Runnable接口Java.lang.Runnable接口，只有run（）方法需要实现。一个实现Runnable接口的类数据上定义了一个在主线程之外的新线程的操作。用Runnable接口实现多线程的主要工作是：声明实现Runnable接口的类，在类内实现run（）方法；并在类内声明线程对象，在init（）方法或start（）方法中创建新线程，并在start（）方法中启动新线程。【例8.2】小应用程序通过Runnable接口创建线程。在类的start（）方法中用构造方法Thread（this）创建了一个新的线程。this代表着该类的对象作为新线程的目标，因此类必须为这个新创建的线程实现Runnable接口，即提供run（）方法。在start（）方法中构造了一个名为myThread的线程，并调用Thread类的start（）方法来启动这个程序。这样，run（）方法被执行，除小应用程序的主线程外，又开始了一个新线程myThread。在例子中，run（）方法在睡眠1秒后，调用repaint（）方法重绘Applet窗口。在paint（）方法中，在文本区输出线程睡眠的次数，并用随机产生的颜色和半径涂一个圆块。import java.applet.*;import java.awt.*;import javax.swing.*;public class Example8_2 extends Applet implements RunnableThread myThread=null;/声明一个线程对象JTextArea t;int k;public void start()t=new JTextArea(20,20);add(t);k=0;setSize(500,400);if(myThread=null)/重新进入小程序时，再次创建线程myThreadmyThread=new Thread(this);/创建新线程myThread.start();/启动新线程public void run()while(myThread!=null)trymyThread.sleep(1000);k+;catch(InterruptedException e)repaint();public void paint(Graphics g)double i=Math.random();if(i=360) redSeta=0;x=(int)(80.0*Math.cos(3.1415926/180.0*redSeta);y=(int)(80.0*Math.sin(3.1415926/180.0*redSeta);redPen.setColor(Color.red);/用底色画图，擦除原先所画原点redPen.fillOval(100+x, 100+y, 10, 10);tryredBall.sleep(20);catch(InterruptedException e)else if(Thread.currentThread()=blueBall)x=(int)(80.0*Math.cos(3.1415926/180.0*blueSeta);y=(int)(80.0*Math.sin(3.1415926/180.0*blueSeta);bluePen.setColor(Color.gray); /用底色画图，擦除原先所画原点bluePen.fillOval(150+x, 100+y, 10, 10);blueSeta-=3;if(blueSeta=360) blueSeta=0;x=(int)(80.0*Math.cos(3.1415926/180.0*blueSeta);y=(int)(80.0*Math.sin(3.1415926/180.0*blueSeta);bluePen.setColor(Color.blue);/用底色画图，擦除原先所画原点bluePen.fillOval(150+x, 100+y, 10, 10);tryredBall.sleep(20);catch(InterruptedException e)例8.3程序运行界面8.3 线程互斥和同步通常情况下，程序中的多个线程是相互协调和相互联系的，多线程之间有互斥和同步。8.3.1 线程互斥先看线程之间需要互斥的情况。设有若干线程共享某个变量，且都对变量有修改。如果它们之间不考虑相互协调工作，就会产生混乱。比如，线程A和B共有变量x，都对x执行增1操作。由于A和B没有协调，两线程对x的读取、修改和写入操作会相互交叉，可能两个线程读取同样的x值，一个线程将修改后的x新值写入到x后，另一个线程也把自己对x的修改后的新值写入到x。这样，x只记录一个线程的修改作用。【例8.4】应用程序说明多线程共享变量，因设有互相协调生产不正确结果。主线程创建了20个线程，它们都取变量的值，经累加后，将新值存回变量。待这些线程执行结束，产生不正确的结果。public class Example8_4 public static void main(String args)MyResourceClass mrc=new MyResourceClass();Thread aThreadArray=new Thread20;System.out.println(t刚开始的值是：+mrc.getInfo();System.out.println(t预期的正确结果是：+20*1000*50);System.out.println(t多个线程正在工作，请稍等！);for(int i=0;i20;i+)aThreadArrayi=new Thread(new MyMultiThreadClass(mrc);aThreadArrayi.start();WhileLoop:while(true)for(int i=0;i20;i+)if(aThreadArrayi.isAlive() continue WhileLoop;break;System.out.println(t最后的结果是：+mrc.getInfo();class MyMultiThreadClass implements RunnableMyResourceClass UseInteger;MyMultiThreadClass(MyResourceClass mrc)UseInteger=mrc;public void run()int i,LocalInteger;for(i=0;i1000;i+)LocalInteger=UseInteger.getInfo();LocalInteger+=50;tryThread.sleep(10);catch(InterruptedException e)UseInteger.putInfo(LocalInteger);class MyResourceClassint IntegerRecource;MyResourceClass()IntegerRecource=0;public int getInfo()return IntegerRecource;public void putInfo(int info)IntegerRecource=info;程序执行的输出结果是：刚开始的值是：0预期的正确结果是：1000000多个线程正在工作，请稍等！最后的结果是：50000造成最后结果不正确的原因是，可能有多个线程取得的是同一个值，各自累加并存入，累加的慢的，后存入的线程把别的执行块的线程的修改覆盖掉了。所以，最终结果比预期的要小得多。解决多线程互斥的办法是，某个线程在使用共享变量时，别的线程暂时等待，等待正在使用共享变量的线程使用结束。等到前一个线程使用结束后，才能等待使用共享变量的其他线程中的某一个使用它，而别的线程继续等待。如果保证它们是逐个使用共享变量，再多的线程使用共享变量也不会产生混乱。多线程互斥使用共享资源的程序段，在操作系统中称为临界段。临界段是一种加锁的机制，与多线程共享资源有关。临界段的作用是在任何时刻一个共享资源只能供一个线程使用。当资源未被占用，线程可以进入处理这个资源的临界段，从而得到该资源的使用权；当线程执行完毕，便退出临界段。如果一个线程已进入某个共享资源的临界段，并且还没有使用结束，其他线程必须等待。在Java语言中，使用关键字synchronized定义临界段，能对共享对象的操作上锁。如果修改例8.4程序，另定义一个累计修改的方法，并将这个方法作为临界段，即某一时刻只允许一个线程做累计修改工作，这就能保证得到正确的结果。修改后的run（）方法，及MyResourceClass类新增的方法如下：public void run()for(int i=0;i1000;i+)UseInteger.sumPesource(50);tryThread.sleep(10);catch(InterruptedException e)class MyResourceClassint IntegerRecource;MyResourceClass()IntegerRecource=0;public int getInfo()return IntegerRecource;public void putInfo(int info)IntegerRecource=info;synchronized void sumPesource(int q)int LocalInteger;LocalInteger=getInfo();LocalInteger+=q;putInfo(LocalInteger);改进后，例8.4的程序如下：public class Example8_4 public static void main(String args)MyResourceClass mrc=new MyResourceClass();Thread aThreadArray=new Thread20;System.out.println(t刚开始的值是：+mrc.getInfo();System.out.println(t预期的正确结果是：+20*1000*50);System.out.println(t多个线程正在工作，请稍等！);for(int i=0;i20;i+)aThreadArrayi=new Thread(new MyMultiThreadClass(mrc);aThreadArrayi.start();WhileLoop:while(true)for(int i=0;i20;i+)if(aThreadArrayi.isAlive() continue WhileLoop;break;System.out.println(t最后的结果是：+mrc.getInfo();class MyMultiThreadClass implements RunnableMyResourceClass UseInteger;MyMultiThreadClass(MyResourceClass mrc)UseInteger=mrc;public void run()for(int i=0;i1000;i+)UseInteger.sumPesource(50);tryThread.sleep(10);catch(InterruptedException e)class MyResourceClassint IntegerRecource;MyResourceClass()IntegerRecource=0;public int getInfo()return IntegerRecource;public void putInfo(int info)IntegerRecource=info;synchronized void sumPesource(int q)int LocalInteger;LocalInteger=getInfo();LocalInteger+=q;putInfo(LocalInteger);程序执行的输出结果是：刚开始的值是：0预期的正确结果是：1000000多个线程正在工作，请稍等！最后的结果是：10000008.3.2 线程同步多线程之间除有互斥情况外，还需要同步。当线程A使用到某个对象，而此对象又需要线程B修改后才能符合本线程的需要，这时线程A就要等待线程B完成修改工作。这种线程相互等待称为线程的同步。为实现同步，Java语言提供wait（）、notify（）和nodifyAll（）三个方法供线程在临界段中使用。在临界段中使用wait（）方法，使执行该方法的线程等待，并允许其他线程使用这个临界段。wait（）方法常用以下两种格式：wait（），让线程一直等待，直到被nodify（）或nodifyAll方法唤醒。wait（long timeout），让线程等待到被唤醒，或经过指定时间后结束等待。当线程使用完临界段后，用nodify（）方法通知由于想使用这个临界段而处于等待的线程结束等待。Nodify（）方法只是通知第一个处于等待的线程。如果某个线程在使用完临界段方法后，其他早先等待的线程都可结束等待，重新竞争CPU，则可以使用nodifyAll（）方法。【例8.5】小应用程序模拟一群顾客购买纪念品。设纪念品5元一个，顾客有人持5元、有人持10圆购买纪念品。持5元的顾客能立即买到纪念品，持10元的顾客，如果销售员有可找的小面额钱，则也能立即购买；如果销售员没有可找的小面额钱，则这位顾客就得等待。程序模拟这群顾客购纪念品的过程。class SalesLadyint memontoes,five,ten;public synchronized String ruleForSale(int num,int money)String s=null;if(memontoes=0)return 对不起，已售完;if(money=5)memontoes-;five+;s=给你一个纪念品，+你的钱正好。;/销售员的回答else if(money=10)while(five1)trySystem.out.println( +num+号顾客用10元钱购票，发生等待！);wait();catch(InterruptedException e)memontoes-;five-=1;ten+;s=给你一个纪念品+你给了十元，找你五元;notify();return s;SalesLady(int m,int f,int t)memontoes=m;five=f;ten=t;public class Example8_5 extends java.applet.Appletstatic SalesLady saleLady=new SalesLady(14,0,0);public void start()int moneies=10,10,5,10,5,10,5,5,10,5,10,5,5,10,5;Thread aThreadArray=new Thread20;System.out.println(现在开始购票：);for(int i=0;imoneies.length;i+)aThreadArrayi=new Thread(new CustomerCalss(i+1,moneiesi);aThreadArrayi.start();WhileLoop:while(true)for(int i=0;imoneies.length;i+)if(aThreadArrayi.isAlive()continue WhileLoop;break;System.out.