在 Java 程序中使用多线程要比在 C 或 C++ 中容易得多这是因为 Java 编程语言提供了语言级的支持本文通过简单的编程示例来说明 Java 程序中的多线程是多么直观读完本文以后用户应该能够编写简单的多线程程序
为什么会排队等待？
下面的这个简单的 Java 程序完成四项不相关的任务这样的程序有单个控制线程控制在这四个任务之间线性地移动此外因为所需的资源 — 打印机磁盘数据库和显示屏 由于硬件和软件的限制都有内在的潜伏时间所以每项任务都包含明显的等待时间因此程序在访问数据库之前必须等待打印机完成打印文件的任务等等如果您正在等待程序的完成则这是对计算资源和您的时间的一种拙劣使用改进此程序的一种方法是使它成为多线程的
四项不相关的任务
class myclass {
static public void main(String args[]) {
print_a_file();
manipulate_another_file();
access_database();
draw_picture_on_screen();
}
}
在本例中每项任务在开始之前必须等待前一项任务完成即使所涉及的任务毫不相关也是这样但是在现实生活中我们经常使用多线程模型我们在处理某些任务的同时也可以让孩子配偶和父母完成别的任务例如我在写信的同时可能打发我的儿子去邮局买邮票用软件术语来说这称为多个控制（或执行）线程
可以用两种不同的方法来获得多个控制线程
多个进程
在大多数操作系统中都可以创建多个进程当一个程序启动时它可以为即将开始的每项任务创建一个进程并允许它们同时运行当一个程序因等待网络访问或用户输入而被阻塞时另一个程序还可以运行这样就增加了资源利用率但是按照这种方式创建每个进程要付出一定的代价设置一个进程要占用相当一部分处理器时间和内存资源而且大多数操作系统不允许进程访问其他进程的内存空间因此进程间的通信很不方便并且也不会将它自己提供给容易的编程模型
线程
线程也称为轻型进程 (LWP)因为线程只能在单个进程的作用域内活动所以创建线程比创建进程要廉价得多这样因为线程允许协作和数据交换并且在计算资源方面非常廉价所以线程比进程更可取线程需要操作系统的支持因此不是所有的机器都提供线程Java 编程语言作为相当新的一种语言已将线程支持与语言本身合为一体这样就对线程提供了强健的支持
使用 Java 编程语言实现线程
Java编程语言使多线程如此简单有效以致于某些程序员说它实际上是自然的尽管在 Java 中使用线程比在其他语言中要容易得多仍然有一些概念需要掌握要记住的一件重要的事情是 main() 函数也是一个线程并可用来做有用的工作程序员只有在需要多个线程时才需要创建新的线程
Thread 类
Thread 类是一个具体的类即不是抽象类该类封装了线程的行为要创建一个线程程序员必须创建一个从 Thread 类导出的新类程序员必须覆盖 Thread 的 run() 函数来完成有用的工作用户并不直接调用此函数而是必须调用 Thread 的 start() 函数该函数再调用 run()下面的代码说明了它的用法
创建两个新线程
import javautil*;
class TimePrinter extends Thread {
int pauseTime;
String name;
public TimePrinter(int x String n) {
pauseTime = x;
name = n;
}
public void run() {
while(true) {
try {
Systemoutprintln(name + : + new
Date(SystemcurrentTimeMillis()));
Threadsleep(pauseTime);
} catch(Exception e) {
Systemoutprintln(e);
}
}
}
static public void main(String args[]) {
TimePrinter tp = new TimePrinter( Fast Guy);
tpstart();
TimePrinter tp = new TimePrinter( Slow Guy);
tpstart();
}
}
在本例中我们可以看到一个简单的程序它按两个不同的时间间隔（ 秒和 秒）在屏幕上显示当前时间这是通过创建两个新线程来完成的包括 main() 共三个线程但是因为有时要作为线程运行的类可能已经是某个类层次的一部分所以就不能再按这种机制创建线程虽然在同一个类中可以实现任意数量的接口但 Java 编程语言只允许一个类有一个父类同时某些程序员避免从 Thread 类导出因为它强加了类层次对于这种情况就要 runnable 接口
Runnable 接口
此接口只有一个函数run()此函数必须由实现了此接口的类实现但是就运行这个类而论其语义与前一个示例稍有不同我们可以用 runnable 接口改写前一个示例（不同的部分用黑体表示）
创建两个新线程而不强加类层次
import javautil*;
class TimePrinter implements Runnable {
int pauseTime;
String name;
public TimePrinter(int x String n) {
pauseTime = x;
name = n;
}
public void run() {
while(true) {
try {
Systemoutprintln(name + : + new
Date(SystemcurrentTimeMillis()));
Threadsleep(pauseTime);
} catch(Exception e) {
Systemoutprintln(e);
}
}
}
static public void main(String args[]) {
Thread t = new Thread(new TimePrinter( Fast Guy));
tstart();
Thread t = new Thread(new TimePrinter( Slow Guy));
tstart();
}
}
请注意当使用 runnable 接口时您不能直接创建所需类的对象并运行它必须从 Thread 类的一个实例内部运行它许多程序员更喜欢 runnable 接口因为从 Thread 类继承会强加类层次
synchronized 关键字
到目前为止我们看到的示例都只是以非常简单的方式来利用线程只有最小的数据流而且不会出现两个线程访问同一个对象的情况但是在大多数有用的程序中线程之间通常有信息流试考虑一个金融应用程序它有一个 Account 对象如下例中所示
一个银行中的多项活动
public class Account {
String holderName;
float amount;
public Account(String name float amt) {
holderName = name;
amount = amt;
}
public void deposit(float amt) {
amount += amt;
}
public void withdraw(float amt) {
amount = amt;
}
public float checkBalance() {
return amount;
}
}
在此代码样例中潜伏着一个错误如果此类用于单线程应用程序不会有任何问题但是在多线程应用程序的情况中不同的线程就有可能同时访问同一个 Account 对象比如说一个联合帐户的所有者在不同的 ATM 上同时进行访问在这种情况下存入和支出就可能以这样的方式发生一个事务被另一个事务覆盖这种情况将是灾难性的但是Java 编程语言提供了一种简单的机制来防止发生这种覆盖每个对象在运行时都有一个关联的锁这个锁可通过为方法添加关键字 synchronized 来获得这样修订过的 Account 对象（如下所示）将不会遭受像数据损坏这样的错误
对一个银行中的多项活动进行同步处理
public class Account {
String holderName;
float amount;
public Account(String name float amt) {
holderName = name;
amount = amt;
}
public synchronized void deposit(float amt) {
amount += amt;
}
public synchronized void withdraw(float amt) {
amount = amt;
}
public float checkBalance() {
return amount;
}
}
deposit() 和 withdraw() 函数都需要这个锁来进行操作所以当一个函数运行时另一个函数就被阻塞请注意 checkBalance() 未作更改它严格是一个读函数因为 checkBalance() 未作同步处理所以任何其他方法都不会阻塞它它也不会阻塞任何其他方法不管那些方法是否进行了同步处理
Java 编程语言中的高级多线程支持
线程组
线程是被个别创建的但可以将它们归类到线程组中以便于调试和监视只能在创建线程的同时将它与一个线程组相关联在使用大量线程的程序中使用线程组组织线程可能很有帮助可以将它们看作是计算机上的目录和文件结构
线程间发信
当线程在继续执行前需要等待一个条件时仅有 synchronized 关键字是不够的虽然 synchronized 关键字阻止并发更新一个对象但它没有实现线程间发信Object 类为此提供了三个函数wait()notify() 和 notifyAll()以全球气候预测程序为例这些程序通过将地球分为许多单元在每个循环中每个单元的计算都是隔离进行的直到这些值趋于稳定然后相邻单元之间就会交换一些数据所以从本质上讲在每个循环中各个线程都必须等待所有线程完成各自的任务以后才能进入下一个循环这个模型称为 屏蔽同步下例说明了这个模型
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