Java多線程初學者指南（1）：線程簡介

一、線程概述

線程是程式啟動並執行基本執行單元。當作業系統(不包括單線程的作業系統，如微軟早期的DOS)在執行一個程式時，會在系統中建立一個進程，而在這個進程中，必須至少建立一個線程（這個線程被稱為主線程）來作為這個程式啟動並執行進入點。因此，在作業系統中啟動並執行任何程式都至少有一個主線程。

進程和線程是現代操作系 統中兩個必不可少的運行模型。在作業系統中可以有多個進程，這些進程包括系統進程（由作業系統內部建立的進程）和使用者進程（由使用者程式建立的進程）；一個 進程中可以有一個或多個線程。進程和進程之間不共用記憶體，也就是說系統中的進程是在各自獨立的記憶體空間中啟動並執行。而一個進程中的線可以共用系統指派給這個 進程的記憶體空間。

線程不僅可以共用進程的記憶體，而且還擁有一個屬於自己的記憶體空間，這段記憶體空間也叫做線程棧, 是在建立線程時由系統分配的，主要用來儲存線程內部所使用的資料，如線程執行函數中所定義的變數。

注意：任何一個線程在建立時都會執行一個函數，這個函數叫做線程執行函數。也可以將這個函數看做線程的進入點（類似於程式中的main函數）。無論使用什麼語言或技術來建立線程，都必須執行這個函數（這個函數的表現形式可能不一樣，但都會有一個這樣的函數）。如在Windows中用於建立線程的API函數CreateThread的第三個參數就是這個執行函數的指標。

在作業系統將進程分成多個線程後，這些線程可以在作業系統的管理下並發執行，從而大大提高了程式的運行效率。雖然線程的執行從宏觀上看是多個線程同時執行，但實際上這隻是作業系統的障眼法。由於一塊CPU同時只能執行一條指令，因此，在擁有一塊CPU的 電腦上不可能同時執行兩個任務。而作業系統為了能提高程式的運行效率，在一個線程空閑時會撤下這個線程，並且會讓其他的線程來執行，這種方式叫做線程調 度。我們之所以從表面上看是多個線程同時執行，是因為不同線程之間切換的時間非常短，而且在一般情況下切換非常頻繁。假設我們有線程A和B。在運行時，可能是A執行了1毫秒後，切換到B後，B又執行了1毫秒，然後又切換到了A，A又執行1毫秒。由於1毫秒的時間對於普通人來說是很難感知的，因此，從表面看上去就象A和B同時執行一樣，但實際上A和B是交替執行的。

二、線程給我們帶來的好處

如果能合理地使用線程，將會減少開發和維護成本，甚至可以改善複雜應用程式的效能。如在GUI應用程式中，還以通過線程的非同步特性來更好地處理事件；在應用伺服器程式中可以通過建立多個線程來處理用戶端的請求。線程甚至還可以簡化虛擬機器的實現，如Java虛擬機器(JVM)的記憶體回收行程（garbage collector）通常運行在一個或多個線程中。因此，使用線程將會從以下五個方面來改善我們的應用程式：

1. 充分利用CPU資源

    現在世界上大多數電腦只有一塊CPU。因此，充分利用CPU資源顯得尤為重要。當執行單線程程式時，由於在程式發生阻塞時CPU可能會處於空閑狀態。這將造成大量的計算資源的浪費。而在程式中使用多線程可以在某一個線程處於休眠或阻塞時，而CPU又恰好處於空閑狀態時來運行其他的線程。這樣CPU就很難有閒置時候。因此，CPU資源就得到了充分地利用。

2.       簡化編程模型

如果程式只完成一項任 務，那隻要寫一個單線程的程式，並且按著執行這個任務的步驟編寫代碼即可。但要完成多項任務，如果還使用單線程的話，那就得在在程式中判斷每項任務是否應 該執行以及什麼時候執行。如顯示一個時鐘的時、分、秒三個指標。使用單線程就得在迴圈中逐一判斷這三個指標的轉動時間和角度。如果使用三個線程分另來處理 這三個指標的顯示，那麼對於每個線程來說就是指行一個單獨的任務。這樣有助於開發人員對程式的理解和維護。

3.       簡化非同步事件的處理

當一個伺服器應用程式在接收不同的用戶端串連時最簡單地處理方法就是為每一個用戶端串連建立一個線程。然後監聽線程仍然負責監聽來自用戶端的請求。如果這種應用程式採用單線程來處理，當監聽線程接收到一個用戶端請求後，開始讀取用戶端發來的資料，在讀完資料後，read方法處於阻塞狀態，也就是說，這個線程將無法再監聽用戶端請求了。而要想在單線程中處理多個用戶端請求，就必須使用非阻塞的Socket串連和非同步I/O。但使用非同步I/O方式比使用同步I/O更難以控制，也更容易出錯。因此，使用多線程和同步I/O可以更容易地處理類似於多請求的非同步事件。

4.       使GUI更有效率

使用單線程來處理GUI事件時，必須使用迴圈來對隨時可能發生的GUI事件進行掃描，在迴圈內部除了掃描GUI事件外，還得來執行其他的程式碼。如果這些代碼太長，那麼GUI事件就會被“凍結”，直到這些代碼被執行完為止。

在現代的GUI架構（如SWING、AWT和SWT）中都使用了一個單獨的事件指派線程（event dispatch thread，EDT）來對GUI事件進行掃描。當我們按下一個按鈕時，按鈕的單擊事件函數會在這個事件指派線程中被調用。由於EDT的任務只是對GUI事件進行掃描，因此，這種方式對事件的反映是非常快的。

5.       節約成本

提高程式的執行效率一般有三種方法：

（1）增加電腦的CPU個數。

（2）為一個程式啟動多個進程

（3）在程式中使用多進程。

第一種方法是最容易做到 的，但同時也是最昂貴的。這種方法不需要修改程式，從理論上說，任何程式都可以使用這種方法來提高執行效率。第二種方法雖然不用購買新的硬體，但這種方式 不容易共用資料，如果這個程式要完成的任務需要必須要共用資料的話，這種方式就不太方便，而且啟動多個線程會消耗大量的系統資源。第三種方法恰好彌補了第 一種方法的缺點，而又繼承了它們的優點。也就是說，既不需要購買CPU，也不會因為啟太多的線程而佔用大量的系統資源（在預設情況下，一個線程所佔的記憶體空間要遠比一個進程所佔的記憶體空間小得多），並且多線程可以類比多塊CPU的運行方式，因此，使用多線程是提高程式執行效率的最廉價的方式。

三、Java的執行緒模式

由於Java是純物件導向語言，因此，Java的執行緒模式也是物件導向的。Java通過Thread類將線程所必須的功能都封裝了起來。要想建立一個線程，必須要有一個線程執行函數，這個線程執行函數對應Thread類的run方法。Thread類還有一個start方法，這個方法負責建立線程，相當於調用Windows的建立線程函數CreateThread。當調用start方法後，如果線程建立成功，並自動調用Thread類的run方法。因此，任何繼承Thread的Java類都可以通過Thread類的start方法來建立線程。如果想運行自己的線程執行函數，那就要覆蓋Thread類的run方法。

在Java的執行緒模式中除了Thread類，還有一個標識某個Java類是否可作為線程類的介面Runnable，這個介面只有一個抽象方法run，也就是Java執行緒模式的線程執行函數。因此，一個線程類的唯一標準就是這個類是否實現了Runnable介面的run方法，也就是說，擁有線程執行函數的類就是線程類。

從上面可以看出，在

Java

中建立線程有兩種方法，一種是繼承

Thread

類，另一種是實現

Runnable

介面，並通過

Thread

和實現

Runnable

的類來建立線程，其實這兩種方法從本質上說是一種方法，即都是通過

Thread

類來建立線程，並運行

run

方法的。但它們的大區別是通過繼承

Thread

類來建立線程，雖然在實現起來更容易，但由於

Java

不支援多繼承，因此，這個線程類如果繼承了

Thread

，就不能再繼承其他的類了，因此，

Java

執行緒模式提供了通過實現

Runnable

介面的方法來建立線程，這樣線程類可以在必要的時候繼承和業務有關的類，而不是

Thread

類。