Ｊａｖａ多線程機制實現(xiàn)及其應(yīng)用

[摘 要]本文就如何實現(xiàn)Java 的多線程、線程調(diào)度模式、同步互斥機制以及內(nèi)置多線程功能進行了深入的探討，并對線程的狀態(tài)、創(chuàng)建和控制方法以及避免死鎖的方法作了歸納總結(jié)，指出了線程實際應(yīng)用領(lǐng)域以及在編程時應(yīng)注意的事項。

[關(guān)鍵詞]多線程 線程調(diào)度 同步機制 死鎖

作者簡介：聞麗華（1969-），女，大連水產(chǎn)學(xué)院職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機系講師 工程碩士學(xué)位。

引入線程是十分必要的，線程共享相同的地址空間并共同構(gòu)成一個大的進程，所以同一進程中的線程間的通訊是非常簡單而有效的，上下文切換非常快并且是整個大程序的一部分切換。線程僅是過程調(diào)用，它們彼此獨立執(zhí)行，線程使得在一個應(yīng)用程序中同時使用多個線程來完成不同的任務(wù)，程序的編寫更加自由和豐富，可以大大簡化應(yīng)用程序設(shè)計。如果要一程序中實現(xiàn)多段代碼同時交替運行，就需要產(chǎn)生多個線程，并指定每個線程上所要運行的程序代碼段，這就是多線程。多線程可以增進程序的交互性， 提供更好功能、更好的GUI 和更好的服務(wù)器功能。

Java 在兩方面支持多線程，一方面，Java 環(huán)境本身就是多線程的，若干個系統(tǒng)線程運行負責(zé)必要的無用單元回收， 系統(tǒng)維護等系統(tǒng)級操作；另一方面，Java 語言內(nèi)置多線程控制， 可以大大簡化多線程應(yīng)用程序開發(fā)。

一、Java 中如何實現(xiàn)多線程

Java 的多線程機制使得在一個程序里可同時執(zhí)行多個任務(wù)。 只有在多CPU 的計算機或者在網(wǎng)絡(luò)計算體系結(jié)構(gòu)下，將Java 程序劃分為多個并發(fā)執(zhí)行線程后，同時啟動多個線程運行，使不同的線程運行在基于不同處理器的Java虛擬機中，才能提高應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。

（一）Java多線程實現(xiàn)方法

Java 采用兩種途徑實現(xiàn)多線程機制：一種是應(yīng)用程序的并發(fā)運行對象直接繼承Thread 類，另外一種是定義并發(fā)執(zhí)行對象實現(xiàn)Runnable 接口。

1．用Thread 類創(chuàng)建線程

Java的線程是通過java.lang.Thread類來控制的，一個Thread類的對象代表一個線程。當(dāng)編寫Thread 類的子類時，在子類中重寫父類的run（)方法，該方法中包含了線程的操作，這樣的程序需要建立自己的線程時，只需要創(chuàng)建一個已定義好的Thread 子類的實例就可以了，當(dāng)創(chuàng)建的線程需要調(diào)用start（）方法開始運行時，run（）方法將被自動執(zhí)行。

2．使用Runnable 接口創(chuàng)建多線程

通過實現(xiàn)Runnable 作為一個目標(biāo)對象，用Runnable 目標(biāo)對象初始化Thread 類，提供run（）方法，實現(xiàn)的同時還可以繼承其他類，可以避免由單繼承的局限。幾乎所有的線程都可以用Runnable 接口。當(dāng)線程被構(gòu)造時， 需要的代碼和數(shù)據(jù)通過一個對象作為構(gòu)造函數(shù)實參傳遞進去， 這個對象就是實現(xiàn)了Runnable接口的類的實例。

3．兩種方法的對比分析

直接繼承Thread 類的方法不能再從其他類繼承，編寫簡單，可以直接操作線程；實現(xiàn)Runnable 接口的方法適合多個相同程序代碼的線程去處理同一資源的情況，可以避免由于Java單繼承特性帶來的局限。兩者的重要區(qū)別在于啟動多線程對象的設(shè)計方法不同。在具體應(yīng)用中，采用哪種方法來構(gòu)造線程要視情況而定。事實上，幾乎所有多線程應(yīng)用都可用第二種方式，即實現(xiàn)Runnable接口。

（二）線程的狀態(tài)控制

線程包括四個狀態(tài)：new （開始)，running （運行)，wait （等候)和done（結(jié)束)。當(dāng)線程被創(chuàng)建并還未運行時， 線程處于new 狀態(tài)， 在這個狀態(tài)下，線程不能運行。對于新創(chuàng)建的線程，調(diào)用start 方法之后， 會自動調(diào)用start 方法，這時線程進入就緒狀態(tài)。在程序之間用某種方法把處理器的執(zhí)行時間分成時間片， 位于就緒狀態(tài)的每個線程都是能運行的，但在某一時刻， 系統(tǒng)處理器只能運行一個線程。由于某些原因， 線程可以被臨時暫停進入等候狀態(tài)。處于這種狀態(tài)的線程，對于用戶來講仍然有效，仍然可以重新進入就緒狀態(tài)。當(dāng)線程因不再需要而進入結(jié)束狀態(tài)時，線程就不能再被恢復(fù)和執(zhí)行。

（三）線程的調(diào)度機制

為了控制線程的運行，Java定義了線程調(diào)度器來監(jiān)控系統(tǒng)中處于就緒狀態(tài)的所有線程。 線程調(diào)度器按照線程的優(yōu)先級決定那個線程投入處理器運行，在多個線程處于就緒狀態(tài)的條件下，具有高優(yōu)先級的線程會在低優(yōu)先級線程之前得到執(zhí)行，線程調(diào)度器同樣采用“搶占式”策略來調(diào)度線程執(zhí)行，即當(dāng)前線程執(zhí)行過程中有較高優(yōu)先級的線程進入就緒狀態(tài)，則高優(yōu)先級的線程立即被調(diào)度執(zhí)行，具有相同優(yōu)先級的所有線程采用輪轉(zhuǎn)的方式來共同分配CPU 時間片。

線程調(diào)度的意義在于避免多個線程爭用有限資源而導(dǎo)致應(yīng)用系統(tǒng)死機或者崩潰。Java 支持搶占式調(diào)度，因此線程的優(yōu)先級尤為重要，它是線程調(diào)度的決策依據(jù)。Java 中線程的優(yōu)先級分為10 個等級，分別用1～10 之間的數(shù)字表示，數(shù)字越大表明線程的級別越高，線程創(chuàng)建時，子線程繼承父線程的優(yōu)先級。線程運行的順序以及從處理器中獲得的時間數(shù)量主要取決于開發(fā)者， 處理器給每個線程分配一個時間片， 而且線程的運行不能影響整個系統(tǒng)。處理器線程的系統(tǒng)或者是搶占式的， 或者是非搶占式的。搶占式系統(tǒng)在任何給定的時間內(nèi)將運行最高優(yōu)先級的線程， 系統(tǒng)中的所有線程都有自己的優(yōu)先級。Thread 類提供了setPriority 和getPriority方法來重新設(shè)置和讀取優(yōu)先權(quán)。Java 虛擬機是搶占式的， 它能保證運行優(yōu)先級最高的線程。

Java 通過創(chuàng)建了線程組管理成百上千個線程。線程組是線程的一個譜系組， 每個組包含的線程數(shù)不受限制，能對每個線程命名并能在整個線程組中執(zhí)行（Suspend)和停止（Stop)這樣的操作。

（四）多線程的同步機制

Java 應(yīng)用程序的多個線程共享同一進程的數(shù)據(jù)資源，多個用戶線程在并發(fā)運行過程中可能同時訪問具有敏感性的內(nèi)容，競爭共享資源。必須采用某種方法來確定資源在某一時刻僅被一個線程占用，達到此目的的過程叫同步（synchronized)，在Java 中定義了線程同步的概念，實現(xiàn)對共享資源的一致性維護。多線程同步機制的實現(xiàn)是基于管程 （Monitor）機制。 管程是一個互斥獨占鎖定的對象，或稱互斥體。 在給定的時間里，僅有一個線程可以獲得管程。所有其他試圖進入已經(jīng)鎖定的管程的線程必須掛起，當(dāng)擁有管程的線程從同步方法中返回或異常退出時，其他線程才可以獲得管程。可以用synchronized 和Object 類的方法wait （）、notify（）和notifyAll（）實現(xiàn)多線程同步。 線程同步有同步方法和同步語句兩種： （1）同步方法。 在方法的聲明中用synchronized 關(guān)鍵字修飾，可以對該方法中的所有代碼實現(xiàn)同步，其格式為public synchronized void method （）{...}. （2）同步語句。 用synchronized 關(guān)鍵字修飾的程序塊稱同步語句或同步塊。 當(dāng)需要調(diào)用某個類中的方法，而該類沒有同步方法，但又必須實現(xiàn)同步時，就要采用同步語句。 只要將對這個類定義的方法的調(diào)用放入一個synchronized 塊內(nèi)就可以了，其格式為： synchronized （object）{...}，其中，object 是對同步對象的引用。從經(jīng)過線程同步機制定義后的代碼形式可以看出：在對共享資源進行訪問的方法訪問屬性關(guān)鍵字（public）后附加同步定義關(guān)鍵字synchronized，使得同步方法在對共享資源訪問的時候，為這些敏感資源附加共享鎖來控制方法執(zhí)行期間的資源獨占性，實現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的一致性管理和維護。

（五）避免死鎖

死鎖是一個經(jīng)典的多線程問題，它是一種少見的、而且難于調(diào)試的錯誤，在兩個線程對兩個同步對象具有循環(huán)依賴時，就會出現(xiàn)死鎖。因為不同的線程都在等待那些根本不可能被釋放的鎖，從而導(dǎo)致所有的工作都無法完成。死鎖不是資源不夠引起的，而是由線程的調(diào)度引起的，對于死鎖可用下述方法解決： （1）嘗試在盡可能短的時間內(nèi)執(zhí)行鎖定的代碼，占用時間越長，另一個線程出現(xiàn)和需要對象的可能性越大；（2）當(dāng)你從另一個被同步的方法中激活被同步的方法時要小心，最好是清楚地定義每個線程的任務(wù)，并考慮使用什么數(shù)據(jù)和什么時間使用。

二、多線程的應(yīng)用

在實際應(yīng)用中，線程使用的范圍很廣，可用于控制實時數(shù)據(jù)處理、快速的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，還有更快的圖像繪制和打印，以及數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的取回和處理等等。 在Java 中有些線程在不停運行，提供一些基本服務(wù)，其中一個典型的例子就是垃圾收集線程（ GarbageCollectionThread ）。 該線程由Java虛擬機（JVM ）提供，由一個中心線程控制執(zhí)行，它掃描程序中不再被訪問的變量，將其所占的系統(tǒng)資源釋放給系統(tǒng)，當(dāng)Java 線程請求存儲時，如果Java 虛擬機不能分配足夠的存儲塊來滿足這個請求，則可以說出現(xiàn)了分配失敗，這就不可避免要進行垃圾回收。結(jié)合Java 的多線程應(yīng)用及其它特性，如平臺無關(guān)性、對網(wǎng)絡(luò)強有力的支持，特別是Sun 公司對Java 語言進行了擴充，引入了遠程方法調(diào)用RMI 機制，它提供了在并行計算環(huán)境下應(yīng)用Java 語言的一些基本功能。由此可見，Java 在分布式計算、并行計算方面將大有作為。

三、使用多線程應(yīng)注意的問題

利用多線程的并發(fā)執(zhí)行特點，無疑會加快程序的運行，提高CPU 、內(nèi)存等系統(tǒng)資源的使用效率，但在應(yīng)用多線程時，要注意同時運行在內(nèi)存中的多個線程之間的關(guān)系。由于線程執(zhí)行不受建立先后的約束，線程間共享數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)程序員想象不到的事情，還有多個線程同時訪問修改同一個數(shù)據(jù)、資源競爭和死鎖問題，都需要程序員周密的考慮。總體來說，在程序中使用多線程需要考慮以下幾個問題：

（一）創(chuàng)建線程需要占用更多的內(nèi)存資源；

（二）創(chuàng)建線程需要增加CPU 跟蹤線程、切換線程的時間開銷；

（三）多線程編程必須考慮資源共享問題、同時訪問通訊端口問題以及系統(tǒng)資源競爭和死鎖問題；

（四）同一任務(wù)下的多個線程同時訪問和修改某個數(shù)據(jù)時，要考慮數(shù)據(jù)的安全問題。由此看出，線程不是越多越好，而是要適度，并且對多線程編程的程序員也提高了要求。總之，多線程會使軟件編程變得更加靈活，同時也給程序員帶來了更大的機遇和挑戰(zhàn)。

四、結(jié)束語

由于Java 的多線程功能齊全， 它帶來的好處也是顯然易見的。在開發(fā)難易程度和性能上都比單線程要好。另一方面，由于多線程還沒有充分利用基本操作系統(tǒng)的這一功能，對于不同的系統(tǒng)， 上面的程序可能會出現(xiàn)截然不同的結(jié)果， 這使編程者偶會感到迷惑不解。

實際運用時，要充分考慮多線程編程的復(fù)雜性以及線程切換開銷帶來的多線程程序的低效性，要注意是否需要多線程，就是要看這是否也是它的內(nèi)在特點，只有當(dāng)完全符合多線程的特點時，多線程機制對線程間通信和線程管理的強大支持才能有用武之地，這時使用多線程才是值得的。實際上， 無論是系統(tǒng)級還是語言級的多線程， 如果操作系統(tǒng)本身不支持多線程，Java 的多線程就可能只是受限的或不完全的多線程。

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