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Java 程序中的多线程

2006-09-21

  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


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 java.util.*;

class TimePrinter extends Thread {
int pauseTime;
String name;
public TimePrinter(int x, String n) {
pauseTime = x;
name = n;
}

public void run() {
while(true) {
try {
System.out.println(name + ":" + new
Date(System.currentTimeMillis()));
Thread.sleep(pauseTime);
} catch(Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
}

static public void main(String args[]) {
TimePrinter tp1 = new TimePrinter(1000, "Fast Guy");
tp1.start();
TimePrinter tp2 = new TimePrinter(3000, "Slow Guy");
tp2.start();

}
}



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(1 秒和 3 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 java.util.*;

class TimePrinter implements Runnable {
int pauseTime;
String name;
public TimePrinter(int x, String n) {
pauseTime = x;
name = n;
}

public void run() {
while(true) {
try {
System.out.println(name + ":" + new
Date(System.currentTimeMillis()));
Thread.sleep(pauseTime);
} catch(Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
}

static public void main(String args[]) {
Thread t1 = new Thread(new TimePrinter(1000, "Fast Guy"));
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new TimePrinter(3000, "Slow Guy"));
t2.start();

}
}



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,

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