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Java程序中的多線程

2013-11-23 19:55:17  來源: Java高級技術 
  為什麼會排隊等待?

  下面的這個簡單的 Java 程序完成四項不相關的任務這樣的程序由單個控制線程在這四個任務之間線性地移動此外因為所需的資源(打印機磁盤數據庫和顯示屏)由於硬件和軟件的限制都有內在的潛伏時間所以每項任務都包含明顯的等待時間因此程序在訪問數據庫之前必須等待打印機完成打印文件的任務如果您正在等待程序的完成則這是對計算機資源和您的時間的一種拙劣使用改進此程序的一種方法是使它成為多線程的

四項不相關的任務

class myclass {
static public void main(String args[]) {
print_a_file();
manipulate_another_file();
access_database();
draw_picture_on_screen();
 }
  }

  在本例中每項任務在開始之前必須等待前一項任務完成即使所涉及的任務毫不相關也是這樣但是在現實生活中我們經常使用多線程模型我們在處理某些任務的同時也可以讓孩子配偶和父母完成別的任務例如我在寫信的同時可能打發我的兒子去郵局買郵票用軟件術語來說這稱為多個控制(或執行)線程

  二可以用兩種不同的方法來獲得多個控制線程

  1.多個進程

  在大多數操作系統中都可以創建多個進程當一個程序啟動時它可以為即將開始的每項任務創建一個進程並允許它們同時運行當一個程序因等待網絡訪問或用戶輸入而被阻塞時另一個程序還可以運行這樣就增加了資源利用率但是按照這種方式創建每個進程要付出一定的代價設置一個進程要占用相當一部分處理器時間和內存資源而且大多數操作系統不允許進程訪問其他進程的內存空間因此進程間的通信很不方便並且也不會將它自己提供給容易的編程模型

  2.線程

   線程也稱為輕型進程 (LWP)因為線程只能在單個進程的作用域內活動所以創建線程比創建進程要廉價得多這樣因為線程允許協作和數據交換並且在計算資源方面非常廉價所以線程比進程更可取線程需要操作系統的支持因此不是所有的機器都提供線程Java 編程語言作為相當新的一種語言已將線程支持與語言本身合為一體這樣就對線程提供了強健的支持

  三使用 Java 編程語言實現線程

  Java 編程語言使多線程如此簡單有效以致於某些程序員說它實際上是自然的盡管在 Java 中使用線程比在其他語言中要容易得多仍然有一些概念需要掌握要記住的一件重要的事情是 main() 函數也是一個線程並可用來做有用的工作程序員只有在需要多個線程時才需要創建新的線程

  1.Thread 類

  Thread 類是一個具體的類即不是抽象類該類封裝了線程的行為要創建一個線程程序員必須創建一個從 Thread 類導出的新類程序員必須覆蓋 Thread 的 run() 函數來完成有用的工作用戶並不直接調用此函數而是必須調用 Thread 的 start() 函數該函數再調用 run()下面的代碼說明了它的用法

創建兩個新線程

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

public void run() {
while(true) {
try {
Systemoutprintln(name + : + new Date(SystemcurrentTimeMillis()));
Threadsleep(pauseTime);
}
catch(Exception e) {
Systemoutprintln(e);
}
}
}

static public void main(String args[]) {
TimePrinter tp = new TimePrinter( Fast Guy);
tpstart();
TimePrinter tp = new TimePrinter( Slow Guy);
tpstart();

}
}

  在本例中我們可以看到一個簡單的程序它按兩個不同的時間間隔( 秒和 秒)在屏幕上顯示當前時間這是通過創建兩個新線程來完成的包括 main() 共三個線程但是因為有時要作為線程運行的類可能已經是某個類層次的一部分所以就不能再按這種機制創建線程雖然在同一個類中可以實現任意數量的接口但 Java 編程語言只允許一個類有一個父類同時某些程序員避免從 Thread 類導出因為它強加了類層次對於這種情況就要 runnable 接口

  2.Runnable 接口

  此接口只有一個函數run()此函數必須由實現了此接口的類實現但是就運行這個類而論其語義與前一個示例稍有不同我們可以用 runnable 接口改寫前一個示例(不同的部分用粗體表示

創建兩個新線程而不強加類層次

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

public void run() {
while(true) {
try {
Systemoutprintln(name + : + new Date(SystemcurrentTimeMillis()));
Threadsleep(pauseTime);
}
catch(Exception e) {
Systemoutprintln(e);
}
}
}

static public void main(String args[]) {
Thread t = new Thread(new TimePrinter( Fast Guy));
tstart();
Thread t = new Thread(new TimePrinter( Slow Guy));
tstart();

}
}

  請注意當使用 runnable 接口時您不能直接創建所需類的對象並運行它必須從 Thread 類的一個實例內部運行它許多程序員更喜歡 runnable 接口因為從 Thread 類繼承會強加類層次

  3.synchronized 關鍵字

  到目前為止我們看到的示例都只是以非常簡單的方式來利用線程只有最小的數據流而且不會出現兩個線程訪問同一個對象的情況但是在大多數有用的程序中線程之間通常有信息流試考慮一個金融應用程序它有一個 Account 對象如下例中所示

一個銀行中的多項活動

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;
}
}

  在此代碼樣例中潛伏著一個錯誤如果此類用於單線程應用程序不會有任何問題但是在多線程應用程序的情況中不同的線程就有可能同時訪問同一個 Account 對象比如說一個聯合帳戶的所有者在不同的 ATM 上同時進行訪問在這種情況下存入和支出就可能以這樣的方式發生一個事務被另一個事務覆蓋這種情況將是災難性的但是Java 編程語言提供了一種簡單的機制來防止發生這種覆蓋每個對象在運行時都有一個關聯的鎖這個鎖可通過為方法添加關鍵字 synchronized 來獲得這樣修訂過的 Account 對象(如下所示)將不會遭受像數據損壞這樣的錯誤

對一個銀行中的多項活動進行同步處理

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() 函數都需要這個鎖來進行操作所以當一個函數運行時另一個函數就被阻塞請注意checkBalance() 未作更改它是一個嚴格讀函數因為checkBalance() 未作同步處理所以任何其他方法都不會阻塞它它也不會阻塞任何其他方法不管那些方法是否進行了同步處理

  Java 編程語言中的高級多線程支持

  1.線程組

  線程是被個別創建的但可以將它們歸類到線程組中以便於調試和監視只能在創建線程的同時將它與一個線程組相關聯在使用大量線程的程序中使用線程組組織線程可能很有幫助可以將它們看作是計算機上的目錄和文件結構

  2.線程間發信

  當線程在繼續執行前需要等待一個條件時僅有 synchronized 關鍵字是不夠的雖然 synchronized 關鍵字阻止並發更新一個對象但它沒有實現線程間發信Object 類為此提供了三個函數wait()notify() 和 notifyAll()以全球氣候預測程序為例這些程序通過將地球分為許多單元在每個循環中每個單元的計算都是隔離進行的直到這些值趨於穩定然後相鄰單元之間就會交換一些數據所以從本質上講在每個循環中各個線程都必須等待所有線程完成各自的任務以後才能進入下一個循環這個模型稱為屏蔽同步下例說明了這個模型

屏蔽同步

public class BSync {
int totalThreads;
int currentThreads;

public BSync(int x) {
totalThreads = x;
currentThreads = ;
}

public synchronized void waitForAll() {
currentThreads++;
if(currentThreads < totalThreads) {
try {
wait();
}
catch (Exception e) {}
}
else
{
currentThreads = ;
notifyAll();
}
}
}

  當對一個線程調用 wait() 時該線程就被有效阻塞直到另一個線程對同一個對象調用 notify() 或 notifyAll() 為止因此在前一個示例中不同的線程在完成它們的工作以後將調用 waitForAll() 函數最後一個線程將觸發 notifyAll() 函數該函數將釋放所有的線程第三個函數 notify() 只通知一個正在等待的線程當對每次只能由一個線程使用的資源進行訪問限制時這個函數很有用但是不可能預知哪個線程會獲得這個通知因為這取決於 Java 虛擬機 (JVM) 調度算法

  3.將 CPU 讓給另一個線程

  當線程放棄某個稀有的資源(如數據庫連接或網絡端口)時它可能調用 yield() 函數臨時降低自己的優先級以便某個其他線程能夠運行

  4.守護線程

  有兩類線程用戶線程和守護線程用戶線程是那些完成有用工作的線程守護線程是那些僅提供輔助功能的線程Thread 類提供了 setDaemon() 函數Java 程序將運行到所有用戶線程終止然後它將破壞所有的守護線程在 Java 虛擬機 (JVM) 中即使在 main 結束以後如果另一個用戶線程仍在運行則程序仍然可以繼續運行

  5.避免使用的方法

  不提倡使用的方法是為支持向後兼容性而保留的那些方法它們在以後的版本中可能出現也可能不出現Java 多線程支持在版本 和版本 中做了重大修訂stop()suspend() 和 resume() 函數已不提倡使用這些函數在 JVM 中可能引入微妙的錯誤雖然函數名可能聽起來很誘人但請抵制誘惑不要使用它們

  6.調試線程化的程序

  在線程化的程序中可能發生的某些常見而討厭的情況是死鎖活鎖內存損壞和資源耗盡

  (1)死鎖

  死鎖可能是多線程程序最常見的問題當一個線程需要一個資源而另一個線程持有該資源的鎖時就會發生死鎖這種情況通常很難檢測但是解決方案卻相當好在所有的線程中按相同的次序獲取所有資源鎖例如如果有四個資源 ABC 和 D並且一個線程可能要獲取四個資源中任何一個資源的鎖則請確保在獲取對 B 的鎖之前首先獲取對 A 的鎖依此類推如果線程 希望獲取對 B 和 C 的鎖線程 獲取了 AC 和 D 的鎖則這一技術可能導致阻塞但它永遠不會在這四個鎖上造成死鎖

  (2)活鎖

  當一個線程忙於接受新任務以致它永遠沒有機會完成任何任務時就會發生活鎖這個線程最終將超出緩沖區並導致程序崩潰試想一個秘書需要錄入一封信但她一直在忙於接電話所以這封信永遠不會被錄入

  (3)內存損壞

  如果明智地使用 synchronized 關鍵字則完全可以避免內存錯誤這種氣死人的問題

  (4)資源耗盡

  某些系統資源是有限的如文件描述符多線程程序可能耗盡資源因為每個線程都可能希望有一個這樣的資源如果線程數相當大或者某個資源的侯選線程數遠遠超過了可用的資源數則最好使用資源池一個最好的示例是數據庫連接池只要線程需要使用一個數據庫連接它就從池中取出一個使用以後再將它返回池中資源池也稱為資源庫

  7.調試大量的線程

  有時一個程序因為有大量的線程在運行而極難調試在這種情況下下面的這個類可能會派上用場

public class Probe extends Thread {
public Probe() {}
public void run() {

while(true) {
Thread[] x = new Thread[];
Threadenumerate(x);

for(int i=; i<; i++) {
Thread t = x[i];
if(t == null)
break;
else
Systemoutprintln(tgetName() + \t + tgetPriority()
+ \t + tisAlive() + \t + tisDaemon());
}
}
}
}

  8.限制線程優先級和調度

  Java 線程模型涉及可以動態更改線程的優先級本質上線程的優先級是從 之間的一個數字數字越大表明任務越緊急JVM 標准首先調用優先級較高的線程然後才調用優先級較低的線程但是該標准對具有相同優先級的線程的處理是隨機的如何處理這些線程取決於基層的操作系統策略在某些情況下優先級相同的線程分時運行在另一些情況下線程將一直運行到結束請記住Java 支持 個優先級基層操作系統支持的優先級可能要少得多這樣會造成一些混亂因此只能將優先級作為一種很粗略的工具使用最後的控制可以通過明智地使用 yield() 函數來完成通常情況下請不要依靠線程優先級來控制線程的狀態

  小結

  本文說明了在 Java 程序中如何使用線程像是否應該使用線程這樣的更重要的問題在很大程度上取決於手頭的應用程序決定是否在應用程序中使用多線程的一種方法是估計可以並行運行的代碼量並記住以下幾點

  1.使用多線程不會增加 CPU 的能力但是如果使用 JVM 的本地線程實現則不同的線程可以在不同的處理器上同時運行(在多 CPU 的機器中)從而使多 CPU 機器得到充分利用
如果應用程序是計算密集型的並受 CPU 功能的制約則只有多 CPU 機器能夠從更多的線程中受益

  2.當應用程序必須等待緩慢的資源(如網絡連接或數據庫連接)時或者當應用程序是非交互式的時多線程通常是有利的

  3.基於 Internet 的軟件有必要是多線程的否則用戶將感覺應用程序反映遲鈍例如當開發要支持大量客戶機的服務器時多線程可以使編程較為容易在這種情況下每個線程可以為不同的客戶或客戶組服務從而縮短了響應時間

  某些程序員可能在 C 和其他語言中使用過線程在那些語言中對線程沒有語言支持這些程序員可能通常都被搞得對線程失去了信心


From:http://tw.wingwit.com/Article/program/Java/gj/201311/27664.html
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