java多線程編程

標籤：電腦程式   thread   後台運行   虛擬機器   計數器   

1.多線程基本概念

1.1 進程和線程

進程：一個電腦程式的運行執行個體，包含了需要執行的指令；有自己的獨立地址空間，包含程式內容和資料；不同進程的地址空間是互相隔離的；進程擁有各種資源和狀態資訊，包括開啟的檔案、子進程和訊號處理。

線程：表示程式的執行流程，是CPU調度執行的基本單位；線程有自己的程式計數器、寄存器、堆棧和幀。同一進程中的線程共用相同的地址空間，同時共用進程鎖擁有的記憶體和其他資源。

1.2 Java標準庫提供了進程和線程相關的API

進程主要包括表示進程的java.lang.Process類和建立進程的java.lang.ProcessBuilder類；

線程主要包括表示線程的java.lang.Thread類，在虛擬機器啟動之後，通常只有Java類的main方法這個使用者線程運行（主線程），運行時可以建立和啟動新的線程（子線程）；還有一類守護線程（damon thread），守護線程在後台運行，提供者運行時所需的服務。當虛擬機器中啟動並執行所有線程都是守護線程時，虛擬機器終止運行。

2、Thread類和Runnable介面

在java中可有兩種方式實現多線程，一種是繼承Thread類，一種是實現Runnable介面；Thread類是在java.lang包中定義的。一個類只要繼承了Thread類同時覆寫了本類中的run()方法就可以實現多線程操作了。

2.1 建立線程

Java定義了兩種方式用來建立線程：

（1） 通過繼承Thread類，重寫Thread的run()方法，將線程啟動並執行邏輯放在其中

（2）通過實現Runnable介面，執行個體化Thread類

舉例說這兩種方法的使用：在實際應用中，我們經常用到多線程，如車站的售票系統，車站的各個售票口相當於各個線程。當我們做這個系統的時候可能會想到兩種方式來實現，繼承Thread類或實現Runnable介面，現在看一下這兩種方式實現的兩種結果。

（1）通過繼承Thread類

package com.threadtest;class MyThread extends Thread{        private int ticket = 10;    private String name;    public MyThread(String name){        this.name =name;    }        public void run(){        for(int i =0;i<500;i++){            if(this.ticket>0){                System.out.println(this.name+"賣票---->"+(this.ticket--));            }        }    }}public class ThreadDemo {       public static void main(String[] args) {        MyThread mt1= new MyThread("一號視窗");        MyThread mt2= new MyThread("二號視窗");        MyThread mt3= new MyThread("三號視窗");        mt1.start();        mt2.start();        mt3.start();    }}

運行結果

一號視窗賣票---->10一號視窗賣票---->9二號視窗賣票---->10一號視窗賣票---->8一號視窗賣票---->7一號視窗賣票---->6三號視窗賣票---->10一號視窗賣票---->5一號視窗賣票---->4一號視窗賣票---->3一號視窗賣票---->2一號視窗賣票---->1二號視窗賣票---->9二號視窗賣票---->8三號視窗賣票---->9三號視窗賣票---->8三號視窗賣票---->7三號視窗賣票---->6三號視窗賣票---->5三號視窗賣票---->4三號視窗賣票---->3三號視窗賣票---->2三號視窗賣票---->1二號視窗賣票---->7二號視窗賣票---->6二號視窗賣票---->5二號視窗賣票---->4二號視窗賣票---->3二號視窗賣票---->2二號視窗賣票---->1

（2）通過實現Runnable介面

package com.threadtest;class MyThread1 implements Runnable{    private int ticket =10;    private String name;    public void run(){        for(int i =0;i<500;i++){            if(this.ticket>0){                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"賣票---->"+(this.ticket--));            }        }    }}public class RunnableDemo {        public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub        //設計三個線程         MyThread1 mt = new MyThread1();         Thread t1 = new Thread(mt,"一號視窗");         Thread t2 = new Thread(mt,"二號視窗");         Thread t3 = new Thread(mt,"三號視窗");         t1.start();         t2.start();         t3.start();    }}

運行結果如下一號視窗賣票---->10三號視窗賣票---->9三號視窗賣票---->7三號視窗賣票---->5三號視窗賣票---->4三號視窗賣票---->3三號視窗賣票---->2三號視窗賣票---->1一號視窗賣票---->8二號視窗賣票---->6

 為什麼會出現這種結果呢？我們不妨做個比喻：

繼承Thread類的，我們相當於拿出三件事即三個賣票10張的任務分別分給三個視窗，他們各做各的事各賣各的票各完成各的任務，因為MyThread繼承Thread類，所以在new MyThread的時候在建立三個對象的同時建立了三個線程；

實現Runnable的， 相當於是拿出一個賣票10張得任務給三個人去共同完成，new MyThread相當於建立一個任務，然後執行個體化三個Thread，建立三個線程即安排三個視窗去執行。

2.2 Thread類和Runnable介面的區別：

Thread類定義了許多方法，它的衍生類別可以重寫這些方法，在這些方法中，只有run（）方法是必須重寫的。當然，在實現Runnable介面時也需要實現這一方法。大多數情況下，如果只想重寫 run() 方法，而不重寫他 Thread 方法，那麼應使用 Runnable 介面。這很重要，因為除非程式員打算修改或增強類的基本行為，否則不應為該類（Thread）建立子類。總的來說，使用Thread類和Runnable類主要有以下區別：

（1）當使用繼承的時候，主要是為了不必重新開發，並且在不必瞭解實現細節的情況下擁有了父類我所需要的特徵。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（如小程式必須繼承自 Applet 類），則無法再繼承 Thread 類，
（2）java只能單繼承，因此如果是採用繼承Thread的方法，那麼在以後進行代碼重構的時候可能會遇到問題，因為你無法繼承別的類了，在其他的方面，兩者之間並沒什麼太大的區別。
（3）implement Runnable是面向介面，擴充性等方面比extends Thread好。
（4）使用 Runnable 介面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，若想建立多個線程並使各個線程執行不同的代碼，則仍必須額外建立類，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。

3、 線程同步方法

3.1 synchronized關鍵字

當使用多線程時，有時需要協調兩個以上的活動，這個過程稱通過同步（Synchronization)實現。同步的主要原因有兩個：一是兩個以上的線程需要訪問同一共用資源，而該資源每次只能由一個線程訪問，例如，不允許兩個線程同時對同一檔案進行寫操作；二是當一個線程等待另一個線程引起的事件時，必須要有某種方法來保證前一個線程在事件發生前處於掛起狀態，而在事件發生後，等待的線程恢複執行。

所有的Java對象都有一個與synchronzied關聯的監視器對象（monitor），允許線程在該監視器對象上進行加鎖和解鎖操作。

a、靜態方法：Java類對應的Class類的對象所關聯的監視器對象。

b、執行個體方法：當前對象執行個體所關聯的監視器對象。

c、代碼塊：代碼塊聲明中的對象所關聯的監視器對象。

註：當鎖被釋放，對共用變數的修改會寫入主存；當獲得鎖，CPU緩衝中的內容被置為無效。編譯器在處理synchronized方法或代碼塊，不會把其中包含的代碼移動到synchronized方法或代碼塊之外，從而避免了由於代碼重排而造成的問題。

例：以下方法getNext()和getNextV2() 都獲得了當前執行個體所關聯的監視器對象

public class SynchronizedIdGenerator{     private int value = 0;     public synchronized int getNext(){        return value++;     }     public int getNextV2(){        synchronized(this){           return value++;        }     }  }

3.2 Object類的notify()、wait()和notifyAll()方法

考慮下面一種情形：線程T在一個同步的方法中執行，需要訪問資源R，而資源R又暫時無法訪問，線程T會如何做呢？如果線程T進入了某種等待資源R的輪詢迴圈中，T就鎖定了這個對象，防止其他線程訪問。然而，這並不是一種好的方法，它抵消了多線程環境的編程優勢，更好的解決方案是讓T暫時放棄控制資源R，允許其他線程允許，當資源R可以訪問時，通知線程T，恢複它的執行。這種方法依賴於java提供的線程通訊方法notify()、wait()和notifyAll()。Object類實現了方法notify()、wait()和notifyAll(),因此這些方法是所有對象的一部分，這些方法只能在synchronized內容中調用，他們的使用方法如下：wait： 將當前線程放入，該對象的等待池中，線程A調用了B對象的wait()方法，線程A進入B對象的等待池，並且釋放B的鎖。（這裡，線程A必須持有B的鎖，所以調用的代碼必須在synchronized修飾下，否則直接拋出java.lang.IllegalMonitorStateException異常）。notify：將該對象中等待池中的線程，隨機選取一個放入對象的鎖池，噹噹前線程結束後釋放掉鎖， 鎖池中的線程即可競爭對象的鎖來獲得執行機會。notifyAll：將對象中等待池中的線程，全部放入鎖池。

這是一種生產者和消費者模式，判斷緩衝區是否滿來消費，緩衝區是否空來生產的邏輯。如果用while 和 volatile也可以做，不過本質上會讓線程處於忙等待，佔用CPU時間，對效能造成影響。

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