面向对象的程序设计-Java张白一第三版第13章.ppt

第13章 多线程,13.1 Java中的多线程实现技术 13.2 多线程的管理,13.1 Java中的多线程实现技术多线程机制是Java语言的又一重要特征，使用多线程技术可以使系统同时运行多个执行体，这样就可以加快程序的响应时间，提高计算机资源的使用效率。正确使用多线程技术可提高整个应用系统的性能。,13.1.1 线程的生命周期每个Java程序都有一个缺省的主线程。对于Application，主线程是main()方法执行的线索。对于Applet，主线程指挥浏览器加载并执行Java小程序。要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线程。新建的线程在它的一个完整的生命周期中通常要经历新生、就绪、运行、阻塞和死亡等五种状态,这五种状态之间的转换关系和转换条件如图13.1所示。,图13.1 线程的生命周期,1新生状态当用new关键字和某线程类的构造方法创建一个线程对象后，这个线程对象处于新生状态，此时它已经有了相应的内存空间，并已被初始化。处于该状态的线程可通过调用start()方法进入就绪状态。2就绪状态处于就绪状态的线程已经具备了运行的条件，但尚未分配到CPU资源，因而它将进入线程队列排队，等待系统为它分配CPU。一旦获得了CPU资源，该线程就进入运行状态，并自动地调用自己的run方法。此时，它脱离创建它的主线程，独立开始了自己的生命周期。,3运行状态进入运行状态的线程执行自己的run方法中的代码。若遇到下列情况之一，将终止run方法的执行：(1)终止操作。调用当前线程的stop方法或destroy方法进入死亡状态。(2)等待操作。调用当前线程的join(millis)方法或wait(millis)方法进入阻塞状态。当线程进入阻塞状态时，在millis(毫秒)内可由其他线程调用notify或notifyAll方法将其唤醒，进入就绪状态。在millis内若不唤醒，则需等待到当前线程结束。,(3)睡眠操作。调用sleep(millis)方法来实现。当前线程停止执行后，会处于阻塞状态，睡眠millis(毫秒)之后重新进入就绪状态。(4)挂起操作。通过调用suspend方法来实现。将当前线程挂起，进入阻塞状态，之后当其他线程调用当前线程的resume方法后，才能使其进入就绪状态。(5)退让操作。通过调用yield方法来实现。当前线程放弃执行，进入就绪状态。(6)当前线程要求I/O时，则进入阻塞状态。(7)若分配给当前线程的时间片用完，则当前线程进入就绪状态。若当前线程的run方法执行完，则线程进入死亡状态。,4阻塞状态一个正在执行的线程在某些特殊情况下，如执行了suspend、join或sleep方法，或等待I/O设备的使用权，那么它将让出CPU并暂时中止自己的执行，进入阻塞状态。阻塞时它不能进入就绪队列，只有当引起阻塞的原因被消除时，线程才可以转入就绪状态，重新进到线程队列中排队等待CPU资源，以便从原终止处开始继续运行。5死亡状态处于死亡状态的线程将永远不再执行。线程死亡有两个原因：一是正常运行的线程完成了它的全部工作；二是线程被提前强制性地终止了。例如，通过执行stop或destroy方法来终止线程。,13.1.2 Thread类的方法Thread类(线程类)是java.lang包中的一个专门用来创建线程和对线程进行操作的类。Java在Thread类中定义了许多方法，这些方法可以帮助我们运用和处理线程。这些方法可分为四组：(1)构造方法。该方法用于创建用户的线程对象。表13.1列出了Thread类的构造方法。,表13.1 类的构造方法,(2)run()方法。该方法用于定义用户线程所要执行的操作。(3)改变线程状态的方法，如start()、sleep()、stop()、suspend()、resume()、yield()和wait()方法等。这是最常用的一组方法。(4)其他方法，如setPriority()、setName()等。表13.2列出了Thread类的后三组方法。,表13.2 类的常用方法,在Java语言中创建线程对象有两种途径：一是以创建Thread类的子类为途径，二是以实现Runnable接口为途径。用实现Runnable接口的方式创建线程与用继承Thread类的方式创建线程无本质差别，但是，由于Java不支持多继承，因此任何类如果已经继承了某一类时，就无法再继承Thread类，这时只能通过实现接口Runnable的方式创建线程对象。例如，因为小应用程序已经继承了Applet类，所以不能再继承Thread类，而只能通过Runnable接口实现多线程。,13.1.3 通过继承Thread类方式创建线程前已述及，在Java语言中创建线程对象的途径之一是创建Thread类的子类。创建Thread类的子类时，首先应声明子类的构造方法，其次应用自己定义的run()方法去覆盖Thread类的run()方法，即将自己要执行的程序区块写入run()方法中。【示例程序C13_1.java】用Thread类的子类创建两个线程对象。,import;class C13_1 extends Thread int pauseTime;String name;public C13_1(int hTime,String hStr)pauseTime=hTime;name=hStr;public void run()Calendar now;/Calendar是Java系统提供的日期时间类的类型标识符,int year,month,date,hour,minute,second;for(int i=1;i10;i+)try now=Calendar.getInstance();/取系统时间 year=now.get(Calendar.YEAR);/取年值 month=now.get(Calendar.MONTH)+1;/取月值 date=now.get(Calendar.DATE);/取日期值 hour=now.get(Calendar.HOUR_OF_DAY);/取小时值 minute=now.get(Calendar.MINUTE);/取分值 second=now.get(Calendar.SECOND);/取秒值(+name+时间:+year+年+month+月+date+日+hour+小时+minute+分+second+秒);/显示时间 Thread.sleep(pauseTime);,catch(Exception e)(线程错误：+e);static public void main(String args)C13_1 myThread1=new C13_1(2000,线程A);/A线程执行一次后睡眠2000毫秒 myThread1.start();C13_1 myThread2=new C13_1(1000,线程B);/B线程执行一次后睡眠1000毫秒 myThread2.start();,执行这个程序后，可得到如下运行结果(读者上机运行时与这里列出的具体时间不同)：线程A时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 2 秒 线程B时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 2 秒 线程B时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 3 秒 线程A时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 4 秒 线程B时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 4 秒 线程B时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 5 秒 线程A时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 6 秒 线程B时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 6 秒 线程B时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 7 秒 线程A时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 8 秒,线程B时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 8 秒 线程B时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 9 秒 线程A时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 10 秒 线程B时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 10 秒 线程A时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 12 秒 线程A时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 14 秒 线程A时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 16 秒 线程A时间:2012 年 8 月 19 日 9 小时 7 分 18 秒,13.1.4 通过实现Runnable接口方式创建线程创建线程对象的另一个途径是实现Runnable接口，而Runnable接口只有一个方法run()，用户新建线程的操作就由这个方法来决定。run()方法必须由实现此接口的类来实现。定义好run()方法之后，当用户程序需要建立新线程时，只要以这个实现了run()方法的类为参数创建系统类Thread的对象，就可以把用户实现的run()方法继承过来。,【示例程序C13_2.java】通过创建两个线程实现“Java Now!”与矩形框在屏幕上呈相反方向的不停走动。该程序由图13.2所示的三个程序组成：实现屏幕上的字符“Java Now!”走动的线程程序CString.java；实现屏幕上矩形框走动的线程程序CSquare.java，主程序C13_2.java。,图13.2 示例程序位置图,(1)主程序C13_2.java：package c2;import;import;import;import;import;public class C13_2 extends JApplet Override public void init()Container cp=getContentPane();/得到窗口容器对象 CString pa=new CString();/创建JPanel类的对象,CSquare pa1=new CSquare();/创建JPanel类的对象 pa.setPreferredSize(new Dimension(300,150);pa.setBackground(Color.cyan);/设置pa的对象背景颜色 pa1.setPreferredSize(new Dimension(300,150);pa1.setBackground(Color.cyan);/设置pa1的对象背景颜色/cp容器的布局为BorderLayout，添加pa及pa1的对象到cp容器中 cp.add(pa,BorderLayout.NORTH);cp.add(pa1,BorderLayout.SOUTH);,(2)CString.java程序：package c2;import;import;import java.awt.Graphics2D;import;public class CString extends JPanel implements Runnable int x=10,y=50;String Message=“Java Now!”;/创建字符串对象 Font f=new Font(“TimesRoman”,Font.BOLD,24);/创建字体对象 Thread th1=new Thread(this);,public CString()start();private void start()th1.start();Override public void run()while(true)x=x-5;if(x=0)x=300;repaint();/repaint()方法调用paint()方法重画字符串 try,Thread.sleep(500);/使th1线程睡眠500ms catch(InterruptedException e);/while/run Override public void paint(Graphics g)super.paint(g);Graphics2D g2=(Graphics2D)g;g2.setFont(f);/设置字体 g2.drawString(Message,x,y);,(3)CSquare.java程序：package c2;import;import java.awt.Graphics2D;import java.awt.geom.Rectangle2D;import;public class CSquare extends JPanel implements Runnable int x1,y1,w1,h1;Thread th2=new Thread(this);public CSquare(),x1=5;y1=100;w1=40;h1=40;start();private void start()th2.start();Override public void run()while(true)x1=x1+5;if(x1=250)x1=0;repaint();/repaint()方法调用paint()方法重画矩形框 try,Thread.sleep(500);/使th2线程睡眠500ms catch(InterruptedException e);/while/run Override public void paint(Graphics g)super.paint(g);Graphics2D g2=(Graphics2D)g;Rectangle2D.Double rec1=new Rectangle2D.Double(x1,y1,w1,h1);g2.draw(rec1);该程序的运行结果如图13.3所示。,图13.3 程序C13_2运行中的一个瞬间,13.2 多线程的管理13.2.1 线程调度在单CPU的计算机上运行多线程程序，或者当线程数多于处理机的数目时，势必存在多个线程争用CPU的情况，这时需要提供一种机制来合理地分配CPU，使多个线程有条不紊、互不干扰地工作，这种机制称为调度。在Java运行系统中，由线程调度器对线程按优先级进行调度。线程调度器中写好了相应的调度算法，当有多个线程在同一时刻处于就绪状态时，线程调度器会选择优先级最高的线程运行。但是，如果发生下列情况之一，调度器就会终止此线程的运行：,(1)本线程的线程体中调用了yield()方法，从而让出了对CPU的占有权；(2)本线程的线程体中调用了sleep()方法，使线程进入睡眠状态；(3)本线程由于I/O操作而进入阻塞状态；(4)另一个具有更高优先级的线程从睡眠状态被唤醒，或其I/O操作完成而返回就绪状态。Java的线程调度算法可分为两种：一种是优先抢占式调度；另一种是轮转调度。,当线程的优先级不同时，为保证优先级最高的线程先运行而采用优先抢占式调度算法，即优先级高的线程优先抢占CPU。例如，在程序的运行过程中若设置线程A具有最高优先级，则线程A将立即取代正在运行的其他线程，直到线程A处于阻塞状态或运行结束。当若干个线程具有相同的优先级时，可采用队列轮转调度算法，即当一个线程运行结束时，该优先队列中排在最前面的线程运行。如果某个线程由于睡眠或I/O阻塞成为一个等待再次运行的线程，那么当它恢复到可运行状态后，即被插入到该队列的队尾，必须等到其他具有相同优先级的线程都被调度过一次后，才有机会再次运行。,13.2.2 线程优先级在Java系统中，运行的每个线程都有优先级。设置优先级是为了在多线程环境中便于系统对线程进行调度，优先级高的线程将优先得以运行。Java线程的优先级是一个在110之间的正整数，数值越大，优先级越高，未设定优先级的线程其优先级取缺省值5。Java线程的优先级设置遵从下述原则：(1)线程创建时，子线程继承父线程的优先级。(2)线程创建后，可在程序中通过调用setPriority()方法改变线程的优先级。,(3)线程的优先级是110之间的正整数，并用标识符常量MIN_PRIORITY表示优先级为1，用NORM_PRIORITY表示优先级为5，用MAX_PRIORITY表示优先级为10。其他级别的优先级既可以直接用110之间的正整数来设置，也可以在标识符常量的基础上加一个常数。例如，下面的语句将线程优先级设置为8。setPriority(Thread.NORM_PRIORITY+3)；,【示例程序C13_3.java】创建三个线程A、B、C，根据优先级确定线程的执行顺序。class C13_3 public static void main(String args)Thread First=new MyThread(“A”);/创建A线程 First.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);/A线程优先级为1 Thread Second=new MyThread(“B”);/创建B线程 Second.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY+1);/B线程优先级为6 Thread Third=new MyThread(“C”);/创建C线程 Third.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);/C线程优先级为10,First.start();Second.start();Third.start();class MyThread extends Thread String message;MyThread(String message)this.message=message;public void run()for(int i=0;i2;i+)System.out.println(message+getPriority();,该程序的运行结果如下：A 1 C 10 C 10 B 6 B 6 A 1从程序的运行结果可以看出，虽然线程C在程序中最后调用start()方法进入就绪状态，但由于它的优先级是三个线程中最高的，因此可先执行。,13.2.3 线程同步由于Java支持多线程，具有并发功能，从而大大提高了计算机的处理能力。在各线程之间不存在共享资源的情况下，几个线程的执行顺序可以是随机的。但是，当两个或两个以上的线程需要共享同一资源时，线程之间的执行次序就需要协调，并且在某个线程占用这一资源时，其他线程只能等待。例如生产者和消费者的问题，只有当生产者生产出产品并将其放入货架后，消费者才能从货架上取走产品进行消费。当生产者没有生产出产品时，消费者是没法消费的。同理，当生产者生产的产品堆满货架时，应该暂停生产，等待消费者消费。在程序设计中，可用两个线程分别代表这里的,生产者和消费者，可将货架视为任意时刻只允许一个线程访问的临界资源。在这个问题中，两个线程要共享货架这一临界资源，需要在某些时刻(货空/货满)协调它们的工作，即货空时消费者应等待，而货满时生产者应等待。为了不发生混乱，还可进一步规定：当生产者往货架上放货物时不允许消费者取货物，当消费者从货架上取货物时不允许生产者放货物。这种机制在操作系统中称为线程间的同步。在同步机制中，将那些访问临界资源的程序段称为临界区。,在Java系统中，临界区程序段是用关键字“synchronized”来标注，并通过一个称为监控器的系统软件来管理的。当执行被冠以synchronized的程序段即临界区程序时，监控器将这段程序(访问的临界资源)加锁，此时，称该线程占有临界资源，直到这段程序执行完，才释放锁。只有锁被释放后，其他线程才可以访问这些临界资源。用关键字synchronized定义临界区的语句形式是：synchronized(expression)statement其中，expression代表类的名字，是可选项；statement可以是一个方法，也可以是一个语句或一个语句块，最常见的是一个方法。下面通过一个例子来说明线程的同步问题。,【示例程序C13_4.java】生产者与消费者的同步问题。public class C13_4 public static void main(String args)HoldInt h=new HoldInt();/h为监控器 ProduceInt p=new ProduceInt(h);ConsumeInt c=new ConsumeInt(h);p.start();c.start();,class HoldInt private int sharedInt;private boolean writeAble=true;/writeAble=true表示生产者线程能生产新数据 public synchronized void set(int val)/临界区程序段，也称为同步方法 while(!writeAble)/生产者线程不能生产新数据时进入等待 try wait();catch(InterruptedException e)/生产者被唤醒后继续执行下面的语句 writeAble=false;sharedInt=val;notify();,public synchronized int get()/同步方法 while(writeAble)/消费者线程不能消费数据时进入等待状态 try wait();catch(InterruptedException e)/消费者被唤醒后继续执行下面的语句 writeAble=true;notify();return sharedInt;,/ProduceInt 是生产者线程class ProduceInt extends Thread private HoldInt hi;public ProduceInt(HoldInt hiForm)hi=hiForm;public void run()for(int i=1;i=4;i+)hi.set(i);System.out.println(产生的新数据是:+i);,/ConsumeInt 是消费者线程class ConsumeInt extends Thread private HoldInt hi;public ConsumeInt(HoldInt hiForm)hi=hiForm;public void run()for(int i=1;i=4;i+)int val=hi.get();(读到的数据是:+val);,在这个程序中，共享数据sharedInt的方法set()和get()头部的修饰符synchronized使HoldInt的每个对象都有一把锁。当ProduceInt对象调用set()方法时，HoldInt对象就被锁定。当set()方法中的数据成员writeAble值为true时，set()方法就可以向数据成员sharedInt中写入一个值，而get()方法不能从sharedInt上读出值。如果set()方法中的writeAble的值为false，则调用set()方法中的wait()方法，把调用set()方法的ProduceInt对象放到HoldInt对象的等待队列中，并将HoldInt对象的锁打开，使该对象的其他synchronized方法可被调用。这个ProduceInt对象将一直在等待队列中等待，直到被唤醒使它进入就绪状态，等待分配CPU。当ProduceInt,对象再次进入运行状态时，HoldInt对象就被隐含地锁定，而set()方法将继续执行while循环中wait()方法后面的语句。在本例中，wait()方法后面无其他语句，因此将进入下一次循环，判断while条件。ConsumeInt对象调用get()方法的情况与ProduceInt对象调用set()方法的情况类似，这里不再赘述。,该程序的运行结果如下：产生的新数据是:1读到的数据是:1产生的新数据是:2读到的数据是:2产生的新数据是:3产生的新数据是:4读到的数据是:3读到的数据是:4,13.2.4 线程组Java系统的每个线程都属于某一个线程组。采用线程组结构以后，可以对多个线程进行集中管理。比如，可以同时启动、挂起或者终止一个线程组中的全部线程。Java系统专门在java.lang包中提供了ThreadGroup类来实现对线程组的管理功能。,大多数情况下，一个线程属于哪个线程组是由编程人员在程序中指定的，若编程人员没有指定，则Java系统会自动将这些线程归于“main”线程组。main线程组是Java系统启动时创建的。一个线程组不仅可以包含多个线程，而且线程组中还可以包含其他的线程组，构成树形结构。一个线程可以访问本线程组的有关信息，但无法访问本线程组的父线程组。有关线程组的更详细的内容请查阅Java手册，本书不再赘述。,