Java 语言程序设计线程编程入门

1、 2005 iCarnegie, Inc. l随着计算机的飞速发展，个人计算机上的操作系统也纷纷采用多任务和分时设计l计算机发展早期只有大型计算机才具有的系统特性。l进程的概念l一般可以在同一时间内执行多个程序的操作系统都有。l一个进程就是一个执行中的程序，l每一个进程都有自己独立的一块内存空间、一组系统资源l在进程概念中，每一个进程的内部数据和状态都是完全独立的lJava程序通过流控制来执行程序流l线程l程序中单个顺序的流控制称为线程，l多线程l指的是在单个程序中可以同时运行多个不同的线程，执行不同的任务。l它意味着一个程序的多行语句可以看上去几乎在同一时间内同时运行。 l相似之处l都是一段

2、完成某个特定功能的代码，l都是程序中单个顺序的流控制；l不同之处l每一个进程都有自己独立的一块代码和数据空间空间、一组系统资源（进程上下文），进程切换的开销大l每一个进程的内部数据和状态都是完全独立的l同类的多个线程是共享一块内存空间和一组系统资源，l而线程本身的数据通常只有微处理器的寄存器数据，以及一个供程序执行时使用的堆栈。l线程也被称为轻量级进程（light-weight process）l系统在生成一个新线程，或者线程切换时，负担要比进程小的多l一个进程中可以包含多个线程l多进程l在操作系统中，能同时运行多个任务程序。 l多线程l在同一应用程序中，有多个顺序流同时执行，完成若干不同的处

3、理。lJava天生支持多线程，它的所有类都是在多线程下定义的，Java利用多线程使整个系统成为异步系统（无需串行等待前步完成，若干处理可同时进行）。lJava中的线程由三部分组成，如图。1. 虚拟的CPU，封装在类中。2. CPU所执行的代码，传递给Thread类。3. CPU所处理的数据，传递给Thread类。lJava的线程是通过继承类来实现的。l生成一个Thread类的对象之后,一个新的线程实例就产生了。 l此线程实例表示Java解释器中的真正的线程，通过它可以启动线程、终止线程、线程挂起等，l每个线程都是通过类Thread在Java的软件包Java.lang中定义，它的构造方法为：lp

4、ublic Thread （ThreadGroup group，Runnable target，String name）；lgroup 指明该线程所属的线程组；ltarget实际执行线程体的目标对象，它必须实现接口Runnable； lname为线程名。lJava中的每个线程都有自己的名称，Java提供了不同Thread类构造器，允许给线程指定名称。如果name为null时，则Java自动提供唯一的名称。l每个线程都是通过某个特定Thread对象的方法run( )来完成其操作的，方法run( )称为线程体。lpublic Thread()lpublic Thread(Runnable targ

5、et)lpublic Thread(Runnable target, String name)lpublic Thread(String name)lpublic Thread(ThreadGroup group，Runnable target)lpublic Thread(ThreadGroup group, String name)l一个类声明实现Runnable接口就可以充当线程体l接口Runnable中只定义了一个方法 run()lpublic void run()l任何实现接口Runnable的对象都可以作为一个线程的目标对象l类Thread本身也实现了接口Runnable， l定义

6、一个线程类l它继承线程类Thread并重写其中的方法 run()l在初始化这个类的实例时，目标target可为null，表示由这个实例来执行线程体。l由于Java只支持单重继承，用这种方法定义的类不能再继承其它父类。l提供一个实现接口Runnable的类作为一个线程的目标对象，l在初始化一个Thread类或者Thread子类的线程对象时，把目标对象传递给这个线程实例，由该目标对象提供线程体 run()。l实现接口Runnable的类仍然可以继承其它父类。ljava线程的不同状态以及状态之间转换所调用的方法l1. 创建状态创建状态(new Thread)l执行下列语句时，线程就处于创建状态：Th

7、read myThread = new MyThreadClass( );l当一个线程处于创建状态时，它仅仅是一个空的线程对象，系统不为它分配资源。l2. 可运行状态可运行状态( Runnable )Thread myThread = new MyThreadClass( );myThread.start( );l当一个线程处于可运行状态时，系统为这个线程分配了它需的系统资源，安排其运行并调用线程运行方法，这样就使得该线程处于可运行( Runnable )状态。l注意l这一状态并不是运行中状态（Running )，因为线程也许实际上并未真正运行。l由于很多计算机都是单处理器的，所以要在同一时刻

8、运行所有的处于可运行状态的线程是不可能的，lJava的运行系统必须实现调度来保证这些线程共享处理器。l3. 不可运行状态（不可运行状态（Not Runnable）l进入不可运行状态的原因有如下几条：1) 调用了sleep ()方法;2) 调用了suspend ()方法;3) 为等候一个条件变量，线程调用wait ()方法;4) 输入输出流中发生线程阻塞;l不可运行状态也称为阻塞状态（Blocked）。l因为某种原因（输入/输出、等待消息或其它阻塞情况），系统不能执行线程的状态。l这时即使处理器空闲，也不能执行该线程。l4. 死亡状态（死亡状态（Dead）l线程的终止一般可通过两种方法实现：自然

9、撤消（线程执行完）或是被停止（调用stop()方法）。l目前不推荐通过调用stop()来终止线程的执行，而是让线程执行完。lSample code (TwoThreadsTest.java)说明如何构造线程体的l两个线程是交错运行的，感觉就象是两个线程在同时运行。但是实际上一台计算机通常就只有一个CPU，在某个时刻只能是只有一个线程在运行ljava在设计时就充分考虑到线程的并发调度执行。l程序员编程时要注意l给每个线程执行的时间和机会l主要是通过调用sleep()方法让当前线程暂停执行l然后由其它线程来争夺执行的机会。l如果上面的程序中没有用到sleep()方法，则就是第一个线程先执行完毕，然

10、后第二个线程再执行完毕。所以用活sleep()方法是学习线程的一个关键。（修改代码后demo）lSample code (Clock.java)l上面这个例子是通过每隔1秒种就执行线程的刷新画面功能，显示当前的时间；看起来的效果就是一个时钟，每隔1秒就变化一次。l本例采用实现接口Runnable的方式，l该类Clock还继承了Applet, Clock就可以Applet的方式运行。l1. 使用使用Runnable接口接口l1) 可以将CPU，代码和数据分开，形成清晰的模型;l2) 还可以从其他类继承;l3) 保持程序风格的一致性。l2. 直接继承直接继承Thread类类l1) 不能再从其他类继

11、承;l2) 编写简单，可以直接操纵线程，无需使用Thread.currentThread()。lJava提供一个线程调度器线程调度器来监控程序中启动后进入就绪状态的所有线程。l线程调度器按照线程的优先级线程的优先级决定应调度哪些线程来执行。l选择高优先级线程（进入运行中状态）执行l同时线程调度是抢先式调度，l即如果在当前线程执行过程中，一个更高优先级的线程进入可运行状态，则这个线程立即被调度执行。l时间片方式l当前活动线程执行完当前时间片后，如果有其他处于就绪状态的相同优先级的线程，系统会将执行权交给其他就绪态同优先级线程；当前活动线程转入等待执行队列，等待下一个时间片调度。l独占方式l当前活

12、动线程一旦获得执行权，将一直执行下去，直到执行完毕或由于某种原因主动放弃CPU，或是有一高优先级的线程处于就绪状态。l线程调用了yield() 或sleep() 方法主动放弃； l由于当前线程进行I/O 访问，外存读写，等待用户输入等操作，导致线程阻塞；或者是为等候一个条件变量，以及线程调用wait()方法； l抢先式系统下l由高优先级的线程参与调度；l时间片方式下l当前时间片用完，由同优先级的线程参与调度。 l线程的优先级用数字来表示，范围从1到10,即Thread.MIN_PRIORITY到Thread.MAX_PRIORITYl一个线程的缺省优先级是5，即Thread.NORM_PRIO

13、RITYl下述方法可以对优先级进行操作：int getPriority(); /得到线程的优先级void setPriority(int newPriority); /当线程被创建后，可通过此方法改变线程的优先级lSample code(ThreadTest.java)l例中生成三个不同线程，其中一个线程在最低优先级下运行，而另两个线程在最高优先级下运行l注意注意l并不是在所有系统中运行Java程序时都采用时间片策略调度线程l所以一个线程在空闲时应该主动放弃CPU，以使其他同优先级和低优先级的线程得到执行。1终止线程2测试线程状态3线程的暂停和恢复l线程终止后，其生命周期结束了，即进入死亡态，

14、终止后的线程不能再被调度执行，l以下几种情况，线程进入终止状态：l线程执行完run()方法后，会自然终止。l通过调用线程的实例方法stop() (过时)来终止线程。l可以通过Thread 中的isAlive() 方法来获取线程是否处于活动状态；l线程由start() 方法启动后，直到其被终止之间的任何时刻，都处于Alive状态。 l有几种方法可以暂停一个线程的执行，在适当的时候再恢复其执行。l1) sleep() 方法方法l当前线程睡眠（停止执行）若干毫秒，线程由运行中状态进入不可运行状态，停止执行时间到后线程进入可运行状态。l2) suspend()和和resume()方法方法l线程的暂停和

15、恢复，通过调用线程的suspend()方法使线程暂时由可运行态切换到不可运行态，若此线程想再回到可运行态，必须由其他线程调用resume()方法来实现。l注：从JDK1.2开始就不再使用suspend()和resume()。l3) join()l当前线程等待调用该方法的线程结束后, 再恢复执行.TimerThread tt=new TimerThread(100);tt.start();public void timeout()tt.join();/ 当前线程等待线程tt 执行完后再继续往下执行 l2.1 互斥锁互斥锁l2.2 多线程的同步多线程的同步l到目前为止所提到的线程都是独立的，而且异

16、步执行，也就是说每个线程都包含了运行时所需要的所有数据或方法，而不需要外部的资源或方法，也不必关心其它线程的状态或行为。l但是经常有一些同时运行的线程需要共享数据，此时就需考虑其他线程的状态和行为，否则就不能保证程序的运行结果的正确性。lSample code (stack.java) 说明了此问题。l两个线程A和B在同时使用Stack的同一个实例对象，A正在往堆栈里push一个数据，B则要从堆栈中pop一个数据。l如果由于线程A和B在对Stack对象的操作上的不完整性，会导致操作的失败，具体过程如下所示：l1) 操作之前 ldata = | p | q | | | | | idx=2l2)

17、A执行push中的第一个语句，将r推入堆栈；ldata = | p | q | r | | | | idx=2l3) A还未执行idx+语句，A的执行被B中断，B执行pop方法，返回q并idx-：ldata = | p | q | r | | | | idx=1l4) A继续执行push的第二个语句idx+ ：ldata = | p | q | r | | | | idx=2ll最后的结果相当于r没有入栈。产生这种问题的原因在于对共享数据访问的操作的不完整性。l为解决操作的不完整性问题，在Java 语言中，引入了对象互斥锁的概念，来保证共享数据操作的完整性。l每个对象都对应于一个可称为“ 互斥

18、锁互斥锁” 的标记，l这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。 l关键字synchronized 来与对象的互斥锁联系l当某个对象用synchronized 修饰时，表明该对象在任一时刻只能由一个线程访问public void push(char c)synchronized(this) /this表示Stack的当前对象dataidx=c;idx+;public char pop()synchronized(this) /this表示Stack的当前对象idx-;return dataidx;lsynchronized 除了象上面讲的放在对象前面限制一段代码的执行外，还可以放在

19、方法声明中，表示整个方法为同步方法。public synchronized void push(char c)l如果synchronized用在类声明中，则表明该类中的所有方法都是synchronized的。public synchronized class Stackm1();m2(); l本节介绍如何控制互相交互的线程之间的运行进度,即多线程之间的同步问题,l下面将通过多线程同步的模型: 生产者-消费者问题来说明怎样实现多线程的同步，系统中：l使用某类资源的线程称为消费者，l产生或释放同类资源的线程称为生产者。 lSample code(SyncTest.java)l生产者线程向文件中写数据，消费者从文件中读数据，这样，在这个程序中同时运行的两个线程共享同一个文件资源。通过这个例子我们来了解怎样使它们同步。l类Producer是生产者模型，其中的 lrun()方法中定义了生产者线程所做的操作，循环调用push()方法,将生产的20个字母送入堆栈中，l每次执行完push操作后，调用sleep()方法睡眠一段随机时间，以给其他线程执行的