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Java多線程程序設計詳細解析

編輯:JAVA編程入門知識

一、理解多線程

多線程是這樣一種機制,它允許在程序中並發執行多個指令流,每個指令流都稱為一個線程,彼此間互相獨立。

線程又稱為輕量級進程,它和進程一樣擁有獨立的執行控制,由操作

系統負責調度,區別在於線程沒有獨立的存儲空間,而是和所屬進程中的其它線程共享一個存儲空間,這使得線程間的通信遠較進程簡單。

多個線程的執行是並發的,也就是在邏輯上“同時”,而不管是否是物理上的“同時”。如果系統只有一個CPU,那麼真正的“同時”是不可能的,但是由於CPU的速度非常快,用戶感覺不到其中的區別,因此我們也不用關心它,只需要設想各個線程是同時執行即可。

多線程和傳統的單線程在程序設計上最大的區別在於,由於各個線程的控制流彼此獨立,使得各個線程之間的代碼是亂序執行的,由此帶來的線程調度,同步等問題,將在以後探討。

二:在Java中實現多線程

我們不妨設想,為了創建一個新的線程,我們需要做些什麼?很顯然,我們必須指明這個線程所要執行的代碼,而這就是在Java中實現多線程我們所需要做的一切!

真是神奇!Java是如何做到這一點的?通過類!作為一個完全面向對象的語言,Java提供了類java.lang.Thread來方便多線程編程,這個類提供了大量的方法來方便我們控制自己的各個線程,我們以後的討論都將圍繞這個類進行。

那麼如何提供給 Java 我們要線程執行的代碼呢?讓我們來看一看 Thread 類。Thread 類最重要的方法是run(),它為Thread類的方法start()所調用,提供我們的線程所要執行的代碼。為了指定我們自己的代碼,只需要覆蓋它!

方法一:繼承 Thread 類,覆蓋方法 run(),我們在創建的 Thread 類的子類中重寫 run() ,加入線程所要執行的代碼即可。下面是一個例子:

 

public class MyThread extends Thread 
{ 
 int count= 1, number; 
 public MyThread(int num)
{ 
  number = num; 
  System.out.println
("創建線程 " + number); 
 } 
 public void run() { 
  while(true) { 
   System.out.println
("線程 " + number + ":計數 " + count); 
   if(++count== 6) return; 
  } 
 } 
 public static void main(String args[])
{ 
  for(int i = 0; 
i 〈 5; i++) new MyThread(i+1).start(); 
 } 
}



這種方法簡單明了,符合大家的習慣,但是,它也有一個很大的缺點,那就是如果我們的類已經從一個類繼承(如小程序必須繼承自 Applet 類),則無法再繼承 Thread 類,這時如果我們又不想建立一個新的類,應該怎麼辦呢?

我們不妨來探索一種新的方法:我們不創建Thread類的子類,而是直接使用它,那麼我們只能將我們的方法作為參數傳遞給 Thread 類的實例,有點類似回調函數。但是 Java 沒有指針,我們只能傳遞一個包含這個方法的類的實例。

那麼如何限制這個類必須包含這一方法呢?當然是使用接口!(雖然抽象類也可滿足,但是需要繼承,而我們之所以要采用這種新方法,不就是為了避免繼承帶來的限制嗎?)

Java 提供了接口 java.lang.Runnable 來支持這種方法。

方法二:實現 Runnable 接口

Runnable接口只有一個方法run(),我們聲明自己的類實現Runnable接口並提供這一方法,將我們的線程代碼寫入其中,就完成了這一部分的任務。但是Runnable接口並沒有任何對線程的支持,我們還必須創建Thread類的實例,這一點通過Thread類的構造函數public Thread(Runnable target);來實現。下面是一個例子:

 

public class MyThread implements Runnable
{ 
 int count= 1, number; 
 public MyThread(int num)
{ 
  number = num; 
  System.out.println("創建線程 " + number); 
 } 
 public void run()
{ 
  while(true)
{ 
   System.out.println
("線程 " + number + ":計數 " + count); 
   if(++count== 6) return; 
  } 
 } 
 public static void main(String args[])
{ 
  for(int i = 0; i 〈 5;
i++) new Thread(new MyThread(i+1)).start(); 
 } 
}



嚴格地說,創建Thread子類的實例也是可行的,但是必須注意的是,該子類必須沒有覆蓋 Thread 類的 run 方法,否則該線程執行的將是子類的 run 方法,而不是我們用以實現Runnable 接口的類的 run 方法,對此大家不妨試驗一下。

使用 Runnable 接口來實現多線程使得我們能夠在一個類中包容所有的代碼,有利於封裝,它的缺點在於,我們只能使用一套代碼,若想創建多個線程並使各個線程執行不同的代碼,則仍必須額外創建類,如果這樣的話,在大多數情況下也許還不如直接用多個類分別繼承 Thread 來得緊湊。

綜上所述,兩種方法各有千秋,大家可以靈活運用。

下面讓我們一起來研究一下多線程使用中的一些問題。

三、線程的四種狀態

1. 新狀態:線程已被創建但尚未執行(start() 尚未被調用)。

2. 可執行狀態:線程可以執行,雖然不一定正在執行。CPU 時間隨時可能被分配給該線程,從而使得它執行。

3. 死亡狀態:正常情況下 run() 返回使得線程死亡。調用 stop()或 destroy() 亦有同樣效果,但是不被推薦,前者會產生異常,後者是強制終止,不會釋放鎖。

4. 阻塞狀態:線程不會被分配 CPU 時間,無法執行。

四、線程的優先級

線程的優先級代表該線程的重要程度,當有多個線程同時處於可執行狀態並等待獲得 CPU 時間時,線程調度系統根據各個線程的優先級來決定給誰分配 CPU 時間,優先級高的線程有更大的機會獲得 CPU 時間,優先級低的線程也不是沒有機會,只是機會要小一些罷了。

你可以調用 Thread 類的方法 getPriority() 和 setPriority()來存取線程的優先級,線程的優先級界於1(MIN_PRIORITY)和10(MAX_PRIORITY)之間,缺省是5(NORM_PRIORITY)。

五、線程的同步

由於同一進程的多個線程共享同一片存儲空間,在帶來方便的同時,也帶來了訪問沖突這個嚴重的問題。Java語言提供了專門機制以解決這種沖突,有效避免了同一個數據對象被多個線程同時訪問。

由於我們可以通過 private 關鍵字來保證數據對象只能被方法訪問,所以我們只需針對方法提出一套機制,這套機制就是 synchronized 關鍵字,它包括兩種用法:synchronized 方法和 synchronized 塊。

1. synchronized 方法:通過在方法聲明中加入 synchronized關鍵字來聲明 synchronized 方法。如:

 

public synchronized void accessVal(int newVal);



synchronized 方法控制對類成員變量的訪問:每個類實例對應一把鎖,每個 synchronized 方法都必須獲得調用該方法的類實例的鎖方能執行,否則所屬線程阻塞,方法一旦執行,就獨占該鎖,直到從該方法返回時才將鎖釋放,此後被阻塞的線程方能獲得該鎖,重新進入可執行狀態。

這種機制確保了同一時刻對於每一個類實例,其所有聲明為 synchronized 的成員函數中至多只有一個處於可執行狀態(因為至多只有一個能夠獲得該類實例對應的鎖),從而有效避免了類成員變量的訪問沖突(只要所有可能訪問類成員變量的方法均被聲明為 synchronized)。

在 Java 中,不光是類實例,每一個類也對應一把鎖,這樣我們也可將類的靜態成員函數聲明為 synchronized ,以控制其對類的靜態成員變量的訪問。

synchronized 方法的缺陷:若將一個大的方法聲明為synchronized 將會大大影響效率,典型地,若將線程類的方法 run() 聲明為 synchronized ,由於在線程的整個生命期內它一直在運行,因此將導致它對本類任何 synchronized 方法的調用都永遠不會成功。當然我們可以通過將訪問類成員變量的代碼放到專門的方法中,將其聲明為 synchronized ,並在主方法中調用來解決這一問題,但是 Java 為我們提供了更好的解決辦法,那就是 synchronized 塊。

2. synchronized 塊:通過 synchronized關鍵字來聲明synchronized 塊。語法如下:

 

synchronized(syncObject)
{ 
//允許訪問控制的代碼 
}



synchronized 塊是這樣一個代碼塊,其中的代碼必須獲得對象 syncObject (如前所述,可以是類實例或類)

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