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1、第10章 多线程机制,10.1 多线程的概念10.2 创建线程10.3 线程的优先级10.4 线程的控制10.5 线程的同步机制与共享资源10.6 何时使用多线程及注意问题习题,程序（program）是对数据描述与操作的代码的集合，是应用程序执行的脚本。进程（process）是程序的一次执行过程，是操作系统运行程序的基本单位。程序是静态的，进程是动态的。系统运行一个程序就是一个进程从创建、运行到消亡的过程。系统可以为一个程序同时创建多个进程。每一个进程都有自己独立的一块内存空间和一组系统资源，即使同类进程之间也不会共享系统资源。,10.1 多线程的概念 10.1.1 程序、进程和多任务,多任务
2、是指在一个系统中可以同时运行多个程序，即有多个独立运行的任务，每一个任务对应一个进程。由于一个CPU在同一时刻只能执行一个程序中的一条指令。实际上，多任务运行的并发机制使这些任务交替运行，因间隔时间短，所以感觉就是多个程序在同时运行。,运行一个程序时，程序内部的代码都是按顺序先后执行的。如果能够将一个进程划分为更小的运行单位，则程序中一些彼此相对独立的代码段可以重叠运行，将会获得更高的执行效率。线程就是解决这个问题的。线程是比进程更小的运行单位，是程序中单个顺序的流控制。一个进程中可以包含多个线程。线程是一种特殊的多任务方式。当一个程序执行多线程时，可以运行两个或更多的由同一个程序启动的任务。
3、这样，一个程序可以使得多个活动任务同时发生。,10.1.2 线程,线程与任何一个程序一样有一个开始、一系列可执行的命令序列、一个结束。在执行的任何时刻，只有一个执行点。线程与程序不同的是线程本身不能运行，它只能包含在程序中，只能在程序中执行。一个线程在程序运行时，必须争取到为自己分配的系统资源，如执行堆栈、程序计数器，等等。,多线程是相对于单线程而言的，指的是在一个程序中可以定义多个线程并同时运行它们，每个线程可以执行不同的任务。与进程不同的是，同类多线程共享一块内存空间和一组系统资源，所以，系统创建多线程开销相对较小。因此，也称线程为轻负荷进程。多线程和多任务是两个既有联系又有区别的概念。多
4、任务是针对操作系统而言的，代表着操作系统可以同时执行的程序个数；多线程是针对一个程序而言的，代表着一个程序内部可以同时执行的线程个数，而每个线程可以完成不同的任务。,10.1.3 多线程,1.线程的生命周期与状态 一个线程也有从创建、运行到消亡的过程，称为线程的生命周期。使用线程的状态表明线程处于生命周期的哪个阶段。线程有创建（New）、可运行（Runnable）、运行中（Running）、挂起（Not Runnable）、死亡（Dead）5种状态。通过线程的控制和调度可使线程在这几种状态间转化。Java语言内在支持多线程，所有的类都是在多线程思想下定义的。Java的每个程序自动拥有一个线程，
5、称为主线程。当程序加载到内存时，启动主线程。要加载其他线程，程序就要使用Thread类（专门用来创建和控制线程的类）或Runnable接口。,10.1.4 线程的生命周期与Java的多线程机制,2.Java的多线程机制java.lang中的线程类Thread封装了所有需要的线程操作控制，有很多方法用来控制一个线程的运行、休眠、挂起或停止。这就是Java的多线程机制。使用Java的多线程机制编程可将程序的任务分解为几个并行的子任务，通过线程的并发执行来加速程序运行，提高CPU的利用率。,例10.1 在程序中通过继承Thread类创建一个线程子类testThread，通过Thread1主类同时运行
6、两个线程对象t1和t2，运行结果如图10.1所示。class Thread1 public static void main(String args)testThread t1=new testThread(thread1);testThread t2=new testThread(thread2);t1.start();t2.start();,10.2 创建线程 10.2.1 通过继承Thread类创建线程,class testThread extends Thread public testThread(String str)super(str);/调用父类的构造方法为线程对象命名 pub
7、lic void run()for(int i=0;i3;i+)System.out.println(getName()+在运行);try sleep(1000);/用休眠1000毫秒来区分哪个线程在运行 System.out.println(getName()+在休眠);catch(InterruptedException e)System.out.println(getName()+已结束);,图 10.1,（1）Application应用程序运行时总是调用main方法，因此main是创建和启动线程对象的地方。main本身也是一个线程，是程序自动拥有的一个线程，称为主线程。在main方法中
8、创建了两个testThread线程对象：t1与t2，并在创建后马上调用start方法启动了这两个线程。（2）从输出的结果可以看出两个线程的名字是交替显示的，这是因为两个线程是同步的，于是，两个run方法也同时被执行。线程语句的顺序只是决定于线程执行的顺序，线程的执行顺序是由系统调度和控制的。,（3）由继承Thread创建的子类，必须覆盖run方法，因为Thread线程类的run方法是空的。run是线程类的关键方法，线程的所有活动都是通过它来实现的。当调用线程对象时系统就自动调用其run方法，正是通过run方法才使创建线程的目的得以实现。run方法的作用如同Application应用程序的mai
9、n方法一样。由例子可以看出，创建线程对象，就是设计run方法。一旦启动线程对象，就进入run方法，便执行run中的所有语句，run方法执行完毕，这个线程也就结束了。,通过Thread类创建线程子类的格式为：class 线程的类名 extends Thread public void run()程序语句,当一个类是从其他类继承时，如继承Applet类。此时就不能再继承Thread类来创建线程，这时可以通过接口Runnable直接创建线程对象。接口Runnable是一个抽象接口，接口中只声明了一个未实现的run方法。,10.2.2 通过Runnable接口创建线程,例10.2 通过Runnable
10、接口运行线程，运行结果如图10.2所示。import java.awt.*;import java.applet.Applet;import java.util.*;import java.text.DateFormat;public class Clock2 extends Applet implements Runnable Thread clockThread=null;public void init()setBackground(Color.blue);setForeground(Color.yellow);public void start()if(clockThread=null
11、)clockThread=new Thread(this,Clock2);clockThread.start();,public void run()Thread myThread=Thread.currentThread();while(clockThread=myThread)repaint();try Thread.sleep(1000);catch(InterruptedException e)public void paint(Graphics g)Date date=new Date();DateFormat formatter=DateFormat.getTimeInstance
12、();String str=formatter.format(date);g.drawString(str,5,10);,public void stop()clockThread=null;图 10.2通过例10.2可以了解通过接口创建线程对象是通过Thread类直接创建线程对象的。,在Applet的start方法中用new操作符创建了一个线程对象clockThread：clockThread=new Thread(this,Clock2);clockThread.start();此时，线程clockThread处于New Thread创建状态，是一个空线程，因为还没有为它分配系统资源。处于
13、创建状态的线程除了可以调用start方法开始线程外，不能调用其他方法，否则将产生IllegalThreadStateException异常。,调用线程的start方法后，将为线程分配系统资源，并将线程加入线程队列，然后调用run方法运行线程。此时，线程转入Runnable可运行状态。由于大部分计算机只有一个CPU，不可能同时运行所有处于Runnable状态的线程，于是Java虚拟机就建立了一个线程队列，让这些线程以排队的方式轮流使用CPU。在实现接口Runnable的run方法中，又通过Thread.currentThread方法创建了一个当前运行的线程对象myThread：Thread my
14、Thread=Thread.currentThread();,设计Thread的run方法。因为Thread的run方法是空方法，而run方法是完成线程任务的根本途径，本例中通过接口Runnable来实现run方法的具体设计：首先创建一个线程对象myThread，然后根据判断条件如果当前线程是clockThread，就进入循环。在循环中先执行repaint方法，它将调用paint显示系统时间。然后令线程休眠1000毫秒，此时线程将停止运行。休眠结束时线程被唤醒，如果CPU可用，就会继续运行这个线程，否则将排队等待。由本例可知，接口Runnable只是提供了一个可以实现run方法的途径。,两种创
15、建线程方法的比较：（1）由继承Thread类创建线程对象简单方便，可以直接操作线程，但不能再继承其他类；（2）在继承其他类的类中可用Runnable接口创建线程对象。可保持程序风格的一致性。,大部分计算机都是一个CPU，一个时刻只能运行一个线程。如果有多个线程处于可运行状态，需要排队等待CPU资源，此时线程自动获得一个线程的优先级，CPU资源分配是根据“先到先服务”的原则确定的。Java为了使有些线程可以提前得到服务，可给线程设置优先级。在单个CPU上运行多线程时采用了线程队列技术，Java虚拟机支持固定优先级队列，一个线程的执行顺序取决于其相对其他Runnable线程的优先级。,10.3 线
16、程的优先级,线程在创建时，继承了父类的优先级。线程创建后，可以在任何时刻调用setPriority方法改变线程的优先级。优先级为110，Thread定义了其中3个常数：（1）MAX_PRIORITY，最大优先级（值为10）。（2）MIN_PRIORITY，最小优先级（值为1）。（3）NORM_PRIORITY，默认优先级（值为5）。,例10.3 线程优先级的使用情况如图10.3所示。图 10.3,class Thread2 extends Thread public static void main(String args)Thread2 t=new Thread24;for(int i=0;
17、i4;i+)ti=new Thread2();for(int i=0;i4;i+)ti.start();t1.setPriority(MIN_PRIORITY);t3.setPriority(MAX_PRIORITY);public void run()for(int i=0;i1000000;i+);System.out.println(getName()+线程的优先级是+getPriority()+已计算完毕!);,通过线程的方法可以控制线程的状态。1.挂起一个线程如果要暂停一个线程可使用suspend()方法：t1.suspend()，t1为线程对象实例名称。在想运行线程时，用resum
18、e()方法重新激活线程：t1.resume()。2.停止一个线程用stop()方法可以停止线程的执行：t1.stop()。注意：这并没有消灭这个线程，只是停止了线程的执行。但这个线程不能用t1.start()重新启动。,10.4 线程的控制,3.线程休眠如果让线程停止运行几毫秒可使用sleep(long)方法，上面已经提到。4.连接线程join()方法可以中止当前线程，等待调用该方法的线程完成后再继续本线程。5.暂停线程调用yield()方法可以暂停当前运行线程运行，但处于可运行状态。其他线程可照样运行。若无其他线程运行，则继续运行该线程。,6.中断线程如果要中断一个运行中的线程可使用inte
19、rrupt()方法：t1.interrupt()。要运行该线程可使用t1.start()重新启动。7.了解线程的状态如果要知道线程处于什么状态，可通过线程的isAlive()方法来了解，它将返回线程当前的状态。如果返回值为true，说明线程处于Runnable或Not Runnable状态；如果返回值为false，说明线程处于New Thread或Dead状态。该方法无法进一步区分具体状态。,前面的线程例子都是独立的，而且异步执行，也就是说每个线程都包含了运行时所需要的数据和方法，不需要外部资源，也不用关心其他线程的状态和行为。但有时一些同时运行的线程需要共享数据。因此，编程时必须考虑其他线程
20、的状态和行为，以解决资源共享问题。Java提供了同步设定功能。共享对象可将自己的成员方法定义为同步化（synchronized）方法，通过调用同步化方法来执行单一线程，其他线程则不能同时调用同一个对象的同步化方法。,10.5 线程的同步机制与共享资源,例10.4 生产者和消费者线程同步化问题示例。使用某种资源的线程称为消费者，产生或释放这个资源的线程称为生产者。生产者生成10个整数（09），存储到一个共享对象中，并把它们打印出来。每生成一个数就随机休眠0100ms，然后重复这个过程。一旦这10个数可以从共享对象中得到，消费者将尽可能快地消费这10个数，即把它们取出后打印出来。这个模型由4个程序
21、组成。,1.生产者程序public class Producer extends Thread private Share shared;private int number;public Producer(Share s,int number)shared=s;this.number=number;public void run()for(int i=0;i10;i+)shared.put(i);System.out.println(生产者+this.number+输出的数据为：+i);try sleep(int)(Math.random()*100);catch(InterruptedEx
22、ception e),2.消费者程序public class Consumer extends Thread private Share shared;private int number;public Consumer(Share s,int number)shared=s;this.number=number;public void run()int value=0;for(int i=0;i10;i+)value=shared.get();System.out.println(消费者+this.number+得到的数据为：+value);,3.共享资源对象public class Sha
23、re private int contents;public int get()return contents;public void put(int value)contents=value;,4.主程序public class PCTest public static void main(String args)Share s=new Share();Producer p=new Producer(s,1);Consumer c=new Consumer(s,1);p.start();c.start();,分析一下可能发生的情况：一种情况是生产者比消费者速度快，那么在消费者还没有取出上一个
24、数据之前，生产者又存入了新数据，于是，消费者很可能会跳过上一个数据。另一种情况则相反，当消费者比生产者速度快，消费者可能两次取出同一个数据，如图10.4所示。我们希望生产者存入一个数，消费者取出的就是这个数。必须锁定生产者线程，当它向共享对象中存储数据时禁止消费者线程从中取出数据，反之也一样。将共享对象Share中的put和get分别定义为同步化方法就可达到这个目的。,图 10.4,5.改写后的程序对共享资源对象实现同步化，运行结果如图10.5所示图 10.5,public class Share private int contents;private boolean available=f
25、alse;public synchronized int get()while(available=false)try wait();catch(InterruptedException e)available=false;notifyAll();return contents;public synchronized void put(int value)while(available=true)try,wait();catch(InterruptedException e)contents=value;available=true;notifyAll();,修改后的Share仍利用put和g
26、et方法来写入和读取数据，但对put和get方法添加了关键字synchronized，锁定了方法。并增加了wait和notifyAll方法。因为wait和notifyAll是Object类的方法可以直接使用。wait方法可以使线程进入短暂休眠，收到notifyAll方法的通知后会马上醒来。当消费者线程调用共享对象的get方法时，如果生产者没有写入数据，available变量就会保持为false，线程进入循环并调用wait方法等待。一旦生产者写入了新数据，available的值就会改变，同时生产者还会向消费者发出通知，唤醒消费者线程退出循环。此时，消费者线程将做两个非常重要的工作，一是把avai
27、lable变量改为false，二是通知生产者线程。最后，返回contents，它包含最新写入的数据。,当生产者线程第一次调用共享对象的put方法时，available变量为false，线程将跳过循环并将第一个数据写入contents变量，然后将available变量改为true，调用notifyAll方法通知消费者线程可以取数据了。再次调用put方法时，如果消费者没有取走数据，available变量就会保持为true，线程将进入循环并调用wait方法等待。一旦消费者取走上一个数据，available的值就会改变，线程也会被唤醒并退出循环，继续后面的工作。说明：关键字synchronized用于
28、声明在任何时候都只能有一个线程可以执行一段代码或一个方法。它有两种作用：锁定一个对象，或者锁定一个方法。,例10.5 设计一个银行账户的存款线程。假设一个有100名雇员的公司，该公司在银行设立了一个公共的账号，每个雇员都可以在任何时间向账号中存钱和取款。如果不进行同步可能会使得账号上的资金数目弄错。所以在下面的程序中使用资源锁定的方法进行同步。本例中有3类：银行账户类、存款线程类、取款线程类。当存入2000元，取出1500元时，运行结果如图10.6所示。图 10.6,class Account1/账户缓冲区 private String name;private int value;void
29、put(int i)/欲存入金额i的方法 value=value+i;/存入时,value值增加 int get(int i)/欲取金额i的方法,返回实际取到金额 if(valuei)value=value-i;/取走时,value值减少 else/账户金额不够所取时 i=value;value=0;/取走全部所余金额 return i;int howmatch()/查看账户上现有金额方法 return value;,class Save extends Thread/存款线程 private Account1 a1;private int amount;public Save(Account
30、1 a1,int amount)this.a1=a1;this.amount=amount;public void run()synchronized(a1)/锁定账户对象 int k=a1.howmatch();try sleep(1);/花费时间 catch(InterruptedException e)System.out.println(e);a1.put(amount);System.out.println(现有+k+,存入+amount+,余额+a1.howmatch();public static void main(String args),Account1 a1=new Ac
31、count1();(new Save(a1,100).start();(new Save(a1,200).start();(new Fetch(a1,500).start();class Fetch extends Thread/取款线程 private Account1 a1;private int amount;public Fetch(Account1 a1,int amount)this.a1=a1;this.amount=amount;public void run()synchronized(a1)/锁定账户对象 int k=a1.howmatch();try sleep(1);/
32、花费时间 catch(InterruptedException e),System.out.println(e);System.out.println(现有+k+,取走+a1.get(amount)+,余额+a1.howmatch();,在这里使用的同步方法非常简单，仅使用了synchronized关键字锁定了账户对象a1，保证同一时间内只有一个线程可以获取这个对象。使用synchronized关键字锁定对象资源后，只有在该线程获得共享资源对象后，方可运行。任何时刻都只有一个获得共享资源对象的程序在运行，其他线程在获得共享资源对象前处于等待状态。这种方式称为“同步对象”。当第一个线程执行带有同
33、步对象的代码时，获得使用该对象的使用权，或称拥有该对象的锁。当线程执行完代码时，自动释放锁，等待的第二个线程获得锁并开始运行。,考虑到多线程时，人们立刻会想到某些任务是可以使用多线程的，例如数据计算、数据库查询，以及输入的获得。因为这些任务通常都被认为是后台任务，不直接与用户打交道。在Java语言程序设计中，动态效果的程序都会使用多线程，例如动画的播放、动态的字幕，等等。,10.6 何时使用多线程及注意问题,在程序中使用多线程是有代价的。它会对系统产生以下影响：（1）线程需要占用内存；（2）线程过多，会消耗大量CPU时间来跟踪线程；（3）必须考虑多线程同时访问共享资源的问题，如果没有协调好，就
34、会产生令人意想不到的问题，例如可怕的死锁和资源竞争；（4）因为同一个任务的所有线程都共享相同的地址空间，并共享任务的全局变量，所以程序也必须考虑多线程同时访问全局变量的问题。,10-1 Java语言中的线程和多线程指的是什么？10-2 用继承的方法创建一个多线程程序。10-3 使用接口Runnable创建一个多线程程序。10-4 同步机制有什么作用？10-5 能否在生产者和消费者模型中使用synchronized关键词锁定资源对象达到同步的目的，请你重写程序，并在机上进行试验。,习题,10-6 下面有关线程的哪些叙述是对的。（BD）A.一旦一个线程被创建，它就立即开始运行。B.使用start()方法可以使一个线程成为可运行的，但是它不一定立即开始运行。C.当一个线程因为抢先机制而停止运行，它被放在可运行队列的前面。D.一个线程可能因为不同的原因停止运行并进入就绪状态。10-7 方法resume()负责恢复哪些线程的执行?(D)A.通过调用stop()方法而停止的线程。B.通过调用sleep()方法而停止运行的线程。C.通过调用wait()方法而停止运行的线程。D.通过调用suspend()方法而停止运行的线程。,
