《面向对象程序设计项目教程》课件 项目12 认识多线程

面向对象程序设计项目教程本章学习目标：●

掌握线程创建的过程●

掌握线程的生命周期●掌了解线程同步机制以及线程通信●

了解线程的优先级●

掌握线程的同步与死锁项目12认识多线程任务1part了解线程在Windows操作系统中，右击任务栏，选择“启动任务管理器”菜单命令，可以打开“Windows任务管理器”窗口，该窗口中的“进程”选项卡中显示系统当前正在运行的进程，如图12.1所示。1.1线程和进程进程

进程具有如下三个特征：

（1）独立性：进程是操作系统中独立存在的实体，拥有自己独立的资源，每个进行都拥有自己私有的地址空间，其他进程不可以直接访问该地址空间，除非进程本身允许的情况下才能进行访问。

（2）动态性：程序只是一个静态的指令集合，只有当程序进入内存运行时，才变成一个进程。进程是一个正在内存中运行的、动态的指令集合，进程具有自己的生命周期和各种不同状态。

（3）并发性：多个进程可以在单个处理器上并发执行，多个进程之间互不影响。1.1线程和进程

线程是进程的组成部分，一个线程必须在一个进程之内，而一个进程可以拥有多个线程，一个进程中至少有一个线程。线程是最小的处理单位，线程可以拥有自己的堆栈、计数器和局部变量，当不能拥有系统资源，多个线程共享其所在进程的系统资源。线程可以完成一定的任务，使用多线程可以在一个程序中同时完成多个任务，在更低的层次中引入多任务处理。

多线程在多CPU的计算机中可以实现真正物理上的同时执行；而对于单CPU的计算机实现的只是逻辑上的同时执行，在每个时刻，真正执行的只有一个线程，由操作系统进行线程管理调度，但由于CPU的速度很快，让人感到像是多个线程在同时执行。1.1线程和进程线程

多线程扩展了多进程的概念，使得同一个进程可以同时并发处理多个任务。因此，线程也被称作轻量级进程。多进程与多线程是多任务的两种类型，两者之间的主要区别如下：

（1）进程之间的数据块是相互独立的，彼此互不影响，进程之间需要通过信号、管道等进行交互。

（2）多线程之间的数据块可以共享，一个进程中的多个线程可以共享程序段、数据段等资源。多线程比多进程更便于资源共享，同时Java提供的同步机制还可以解决线程之间的数据完整性问题，使得多线程设计更易发挥作用。多线程编程的优点如下：

（1）多线程之间共享内存，节约系统资源成本；

（2）充分利用CPU，执行并发任务效率高；

（3）Java内置多线程功能支持，简化编程模型

（4）GUI应用通过启动单独线程收集用户界面事件，简化异步事件处理，使GUI界面的交互性更好。1.1线程和进程Java线程模型提供线程所必需的功能支持，基本的Java线程模型有Thread类、Runnable接口、Callable接口和Future接口等，这些线程模型都是面向对象的。Thread类将线程所必需的功能进行封装，其常用的方法如表12-1所示。1.2Java线程模型Thread类的run()方法是线程中最重要的方法，该方法用于执行线程要完成的任务；当创建一个线程时，要完成自己的任务，则需要重写run()方法。此外，Thread类还提供了start()方法，该方法用于负责线程的启动；当调用start()方法成功地启动线程后，系统会自动调用Thread类的run()方法来执行线程。因此，任何继承Thread类的线程都可以通过start()方法来启动。Runnable接口用于标识某个Java类可否作为线程类，该接口只有一个抽象方法run()，即线程中最重要的执行体，用于执行线程中所要完成的任务。Runnable接口定义在java.lang包中，定义代码如下所示。packagejava.lang;publicinterfaceRunnable{ publicabstractvoidrun();}1.2Java线程模型Callable接口是Java5新增的接口，该接口中提供一个call()方法作为线程的执行体。call()方法比run()方法功能更强大，call()方法可以有返回值，也可以声明抛出异常。Callable接口定义在java.util.concurrent包中，定义代码如下所示。packagejava.util.concurrent;publicinterfaceCallable<V>{ Vcall()throwsException;}1.2Java线程模型Future接口用来接收Callable接口中call()方法的返回值。Future接口提供一些方法用于控制与其关联的Callable任务。Future接口提供的方法如表12-2所示。1.2Java线程模型Callable接口有泛型限制，该接口中的泛型形参类型与call()方法返回值的类型相同；而且Callable接口是函数式接口，因此从Java8开始可以使用Lambda表达式创建Callable对象。

每个能够独立运行的程序就是一个进程，每个进程至少包含一个线程，即主线程。在Java语言中，每个能够独立运行的Java程序都至少有一个主线程，且在程序启动时，JVM会自动创建一个主线程来执行该程序中的main()方法。因此，主线程有以下两个特点：

（1）一个进程肯定包含一个主线程

（2）主线程用来执行main()方法

1.3主线程主线程任务2part创建线程

基于Java线程模型，创建线程的方式有三种：

（1）第一种方式是继承Thread类，重写Thread类中的run()方法，直接创建线程。

（2）第二种方式是实现Runnable接口，再通过Thread类和Runnable的实现类间接创建一个线程。

（3）第三种方式是使用Callable接口或Future接口间接创建线程。

创建线程2.1继承Thread类

通过继承Thread类来创建并启动线程的步骤如下：

（1）定义一个子类继承Thread类，并重写run()方法。

（2）创建子类的实例，即实例化线程对象。

（3）调用线程对象的start()方法启动该线程。Thread类的start()方法将调用run()方法，该方法用于启动线程并运行。因此start()方法不能多次调用，当多次调用td.start()方法时会抛出一个IllegalThreadStateException异常。

继承Thread类2.2实现Runable接口

创建线程的第二种方式是实现Runnable接口。Runnable接口中只有一个run()方法，一个类实现Runnable接口后，并不代表该类是个“线程”类，不能直接启动线程，必须通过Thread类的实例来创建并启动线程。通过Runnable接口创建并启动线程的步骤如下：

（1）定义一个类实现Runnable接口，并实现该接口中的run()方法；

（2）创建一个Thread类的实例，将Runnable接口的实现类所创建的对象作为参数传入Thread类的构造方法中；

（3）调用Thread对象的start()方法启动该线程。

2.3使用Callable和Future接口

创建线程的第三种方式是使用Callable和Future接口。Callable接口提供一个call()方法作为线程的执行体，该方法的返回值使用Future接口来代表。从Java5开始，为Future接口提供一个FutureTask实现类，该类同时实现了Future和Runnable两个接口，因此可以作为Thread类的target参数。使用Callable和Future接口的最大优势在于可以在线程执行完成之后获得执行结果。

使用Callable和Future接口创建并启动线程的步骤如下：

（1）创建Callable接口的实现类，并实现call()方法，该方法将作为线程的执行体，并具有返回值；然后创建Callable实现类的实例。

（2）使用FutureTask类来包装Callable对象，在FutureTask对象中封装了Callable对象的call()方法的返回值。

（3）使用FutureTask对象作为Thread对象的target，创建并启动新线程。

（4）调用FutureTask对象的get()方法来获得子线程执行结束后的返回值。

任务3part掌握线程的生命周期

线程具有生命周期，当线程被创建并启动后，不会立即进入执行状态，也不会一直处于执行状态。在线程的生命周期中，要经过5种状态：新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）和死亡（Dead）。线程状态之间的转换如图12-3所示。线程的生命周期本节介绍3.1新建和就绪状态

当程序使用new关键字创建一个线程之后，该线程就处于新建状态。新建状态的线程没有表现出任何动态特征，程序也不会执行线程的执行体。当线程对象调用start()方法之后，线程就处于就绪状态，相当于“等待执行”。此时，调度程序就可以把CPU分配给该线程，JVM会为线程创建方法调用栈和程序计数器。处于就绪状态的线程并没有开始运行，只是表示该线程准备就绪等待执行。

注意只能对新建状态的线程调用start()方法，即new完一个线程后，只能调用一次start()方法，否则将引发IllegalThreadStateException异常。

3.2运行和阻塞状态

处于就绪状态的线程获得CPU后，开始执行run()方法的线程执行体，此时该线程处于运行状态。如果计算机的CPU是单核的，则在任何时刻只有一个线程处于运行状态。一个线程开始运行后，不可能一直处于运行状态。线程在运行过程中需要被中断，目的是使其他线程获得执行的机会，线程调度的细节取决于底层平台所采用的策略。

目前UNIX系统采用的是时间片算法策略，Windows系统采用的则是抢占式策略，另外一种小型设备（手机）则可能采用协作式调度策略。对于采用抢占式策略的系统而言，系统会给每个可执行的线程一个小时间段来处理任务；当该时间段用完后，系统就会剥夺该线程所占用的资源，让其他线程获得执行的机会。在选择下一个线程时，系统会考虑线程的优先级。运行和阻塞状态当线程出现以下情况时，会进入阻塞状态：（1）调用sleep()方法，主动放弃所占用的处理器资源；（2）调用了一个阻塞式IO方法，在该方法返回之前，该线程被阻塞；（3）线程试图获得一个同步监视器，但该同步监视器正被其他线程所持有；（4）执行条件还未满足，调用wait()方法使线程进入等待状态，等待其他线程的通知；（5）程序调用了线程的suspend()方法将该线程挂起，但该方法容易导致死锁，因此应该尽量避免使用。3.2运行和阻塞状态

正在执行的线程被阻塞之后，其他线程就可以获得执行的机会，被阻塞的线程会在合适的时机重新进入就绪状态，等待线程调度器再次调度。

当线程出现如下几种情况时，线程可以解除阻塞进入就绪状态：

（1）调用sleep()方法的线程经过了指定的时间；

（2）线程调用的阻塞式IO方法以经返回；

（3）线程成功地获得了同步监视器；

（4）线程处于等待状态，其他线程调用notify()或notifyAll()方法发出了一个通知时，则线程回到就绪状态；

（5）处于挂起状态的线程被调用了resume()恢复方法。3.2运行和阻塞状态

在线程运行的过程中，可以通过sleep()方法使线程暂时停止运行，进入休眠状态。在使用sleep()方法时需要注意以下两点：

（1）sleep()方法的参数是以毫秒为基本单位，例如sleep(2000)则休眠2秒钟；

（2）sleep()方法声明了InterruptedException异常，因此调用sleep()方法时要么放在try…catch语句中捕获该异常并处理，要么在方法后使用throws显式声明抛出该异常。

可以通过Thread类的isAlive()方法来判断线程是否处于运行状态。当线程处于就绪、运行和阻塞三种状态时，isAlive()方法的返回值为true；当线程处于新建、死亡两种状态时，isAlive()方法的返回值为false。3.2死亡状态线程结束后就处于死亡状态，结束线程有以下三种方式：（1）线程执行完成run()或call()方法，线程正常结束；（2）线程抛出一个未捕获的Exception或Error；（3）调用stop()方法直接停止线程，该方法容易导致死锁，通常不推荐使用。3.3死亡状态

主线程结束时，其他子线程不受任何影响，并不会随主线程的结束而结束。一旦子线程启动起来，子线程就拥有和主线程相同的地位，子线程不会受主线程的影响。

为了测试某个线程是否死亡，可以通过线程对象的isAlive()方法来获得线程状态，当方法返回值为false时，线程处于死亡或新建状态。不要试图对一个已经死亡的线程调用start()方法使其重新启动，线程死亡就是死亡，该线程不可再次作为线程执行。Thread类中的join()方法可以让一个线程等待另一个线程完成后，继续执行原线程中的任务。当在某个程序执行流中调用其他线程的join()方法时，当前线程将被阻塞，直到另一个线程执行完为止。join()方法通常由使用线程的程序调用，当其他线程都执行结束后，再调用主线程进一步操作。

3.3任务4part了解线程的优先级Thread类提供三个静态常量来标识线程的优先级：

（1）MAX_PRIORITY：最高优先级，其值为10；

（2）NORM_PRIORITY：普通优先级，其值为5；

（3）MIN_PRIORITY：最低优先级，其值为1。线程的优先级Thread类提供了setPriority()方法来对线程的优先级进行设置，而getPriority()方法来获取线程的优先级。setPriority()方法的参数是一个整数（1～10），也可以使用Thread类提供的三个优先级静态常量。

线程的优先级高度依赖于操作系统，并不是所有的操作系统都支持Java的10个优先级，例如Windows2000仅提供7个优先级。因此，尽量避免直接使用整数给线程指定优先级，提倡使用MAX_PRIORITY、NORM_PRIORITY和MIN_PRIORITY三个优先级静态常量。线程的优先级任务5part掌握线程的同步5.1同步代码块

使用同步代码块实现同步功能，只需将对实例的访问语句放入一个同步块中，其语法格式如下：synchronized(object){ //需要同步的代码块}

其中：synchronized是同步关键字；object是同步监视器，其数据类型不能是基本数据类型。线程开始执行同步代码之前，必须先获得同步监视器的锁定，并且，任何时刻只能有一个线程可以获得对同步监视器的锁定，当同步代码块执行完成后，该线程会释放对该同步监视器的锁定。5.2同步方法

同步方法是使用synchronized关键字修饰的方法，其声明的语法格式如下：[访问修饰符]synchronized返回类型方法名([参数列表]){ //方法体}

其中：synchronized关键字修饰的实例方法无须显式地指定同步监视器，同步方法的同步监视器是this，即该方法所属的对象。一旦一个线程进入一个实例的任何同步方法，其他线程将不能进入该实例的所有同步方法，但该实例的非同步方法仍然能够被调用。

5.3同步锁

同步锁Lock是一种更强大的线程同步机制，通过显式定义同步锁对象来实现线程同步。同步锁提供了比同步代码块、同步方法更广泛的锁定操作，实现更灵活。Lock是控制多个线程对共享资源进行访问的工具，能够对共享资源进行独占访问。每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程访问共享资源之前需要先获得Lock对象。某些锁可能允许对共享资源并发访问，如ReadWriteLock（读写锁）。Lock和ReadWriteLock是Java5提供的关于锁的两个根接口，并为Lock提供了ReentrantLock（可重入锁）实现类，为ReadWriteLock提供了ReentrantReadWriteLock实现类。从Java8开始，又新增了StampedeLock类，可以替代传统的ReentrantReadWriteLock类。同步锁ReentrantLock类是常用的可重入同步锁，该类对象可以显式地加锁、释放锁。使用ReentrantLock类的步骤如下：

（1）定义一个ReentrantLock锁对象，该对象是final常量；privatefinalReentrantLocklock=newReentrantLock();

（2）在需要保证线程安全的代码之前增加“加锁”操作；lock.lock();

（3）在执行完线程安全的代码后“释放锁”。lock.unlock();5.3同步锁下述代码示例了使用ReentrantLock锁的基本步骤：//1.定义锁对象privatefinalReentrantLocklock=newReentrantLock();...//定义需要保证线程安全的方法publicvoidmyMethod(){//2.加锁lock.lock();try{//需要保证线程安全的代码...}finally{//3.释放锁lock.unlock();}}

其中：加锁和释放锁都需要放在线程安全的方法中；lock.unlock()放在finally语句中，不管发生异常与否，都需要释放锁。5.3任务6part实现线程通信线程通信可以使用Object类中定义的wait()、notify()和notifyAll()方法，使线程之间相互进行事件通知。在执行这些方法时，必须同时拥有相关对象的锁。

（1）wait()方法：让当前线程等待，并释放对象锁，直到其他线程调用该监视器的notify()或notifyAll()方法来唤醒该线程。wait()方法也可以带一个参数，用于指明等待的时间，使用这种方式不需要notify()或notifyAll()方法来唤醒。wait()方法只能在同步方法中调用。