在 Java 程序中使用多線程要比在 C 或 C++ 中容易得多，這是因?yàn)?Java 編程語言提供了語言級的支持。本文通過簡單的編程示例來說明 Java 程序中的多線程是多么直觀。讀完本文以后，用戶應(yīng)該能夠編寫簡單的多線程程序。
為什么會排隊(duì)等待？
下面的這個(gè)簡單的 Java 程序完成四項(xiàng)不相關(guān)的任務(wù)。這樣的程序有單個(gè)控制線程，控制在這四個(gè)任務(wù)之間線性地移動(dòng)。此外，因?yàn)樗璧馁Y源 — 打印機(jī)、磁盤、數(shù)據(jù)庫和顯示屏 -- 由于硬件和軟件的限制都有內(nèi)在的潛伏時(shí)間，所以每項(xiàng)任務(wù)都包含明顯的等待時(shí)間。因此，程序在訪問數(shù)據(jù)庫之前必須等待打印機(jī)完成打印文件的任務(wù)，等等。如果您正在等待程序的完成，則這是對計(jì)算資源和您的時(shí)間的一種拙劣使用。改進(jìn)此程序的一種方法是使它成為多線程的。
四項(xiàng)不相關(guān)的任務(wù)
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(xiàng)任務(wù)在開始之前必須等待前一項(xiàng)任務(wù)完成，即使所涉及的任務(wù)毫不相關(guān)也是這樣。但是，在現(xiàn)實(shí)生活中，我們經(jīng)常使用多線程模型。我們在處理某些任務(wù)的同時(shí)也可以讓孩子、配偶和父母完成別的任務(wù)。例如，我在寫信的同時(shí)可能打發(fā)我的兒子去郵局買郵票。用軟件術(shù)語來說，這稱為多個(gè)控制（或執(zhí)行）線程。
可以用兩種不同的方法來獲得多個(gè)控制線程：
☆ 多個(gè)進(jìn)程
在大多數(shù)操作系統(tǒng)中都可以創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程。當(dāng)一個(gè)程序啟動(dòng)時(shí)，它可以為即將開始的每項(xiàng)任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，并允許它們同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)一個(gè)程序因等待網(wǎng)絡(luò)訪問或用戶輸入而被阻塞時(shí)，另一個(gè)程序還可以運(yùn)行，這樣就增加了資源利用率。但是，按照這種方式創(chuàng)建每個(gè)進(jìn)程要付出一定的代價(jià)：設(shè)置一個(gè)進(jìn)程要占用相當(dāng)一部分處理器時(shí)間和內(nèi)存資源。而且，大多數(shù)操作系統(tǒng)不允許進(jìn)程訪問其他進(jìn)程的內(nèi)存空間。因此，進(jìn)程間的通信很不方便，并且也不會將它自己提供給容易的編程模型。
☆ 線程
線程也稱為輕型進(jìn)程 (LWP) 。因?yàn)榫€程只能在單個(gè)進(jìn)程的作用域內(nèi)活動(dòng)，所以創(chuàng)建線程比創(chuàng)建進(jìn)程要廉價(jià)得多。這樣，因?yàn)榫€程允許協(xié)作和數(shù)據(jù)交換，并且在計(jì)算資源方面非常廉價(jià)，所以線程比進(jìn)程更可取。線程需要操作系統(tǒng)的支持，因此不是所有的機(jī)器都提供線程。 Java 編程語言，作為相當(dāng)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(qiáng)健的支持。
使用 Java 編程語言實(shí)現(xiàn)線程
Java 編程語言使多線程如此簡單有效，以致于某些程序員說它實(shí)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(shù)也是一個(gè)線程，并可用來做有用的工作。程序員只有在需要多個(gè)線程時(shí)才需要?jiǎng)?chuàng)建新的線程。
Thread 類
Thread 類是一個(gè)具體的類，即不是抽象類，該類封裝了線程的行為。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)線程，程序員必須創(chuàng)建一個(gè)從 Thread 類導(dǎo)出的新類。程序員必須覆蓋 Thread 的 run() 函數(shù)來完成有用的工作。用戶并不直接調(diào)用此函數(shù)；而是必須調(diào)用 Thread 的 start() 函數(shù)，該函數(shù)再調(diào)用 run() 。下面的代碼說明了它的用法：
創(chuàng)建兩個(gè)新線程
import java.util.*;
class TimePrinter extends Thread {
int pauseTime;
String name;
public TimePrinter(int x, String n) {
pauseTime = x;
name = n;
}
public void run() {
while(true) {
try {
System.out.println(name + ":" + new
Date(System.currentTimeMillis()));
Thread.sleep(pauseTime);
} catch(Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
}
static public void main(String args[]) {
TimePrinter tp1 = new TimePrinter(1000, "Fast Guy");
tp1.start();
TimePrinter tp2 = new TimePrinter(3000, "Slow Guy");
tp2.start();
}
}
在本例中，我們可以看到一個(gè)簡單的程序，它按兩個(gè)不同的時(shí)間間隔（ 1 秒和 3 秒）在屏幕上顯示當(dāng)前時(shí)間。這是通過創(chuàng)建兩個(gè)新線程來完成的，包括 main() 共三個(gè)線程。但是，因?yàn)橛袝r(shí)要作為線程運(yùn)行的類可能已經(jīng)是某個(gè)類層次的一部分，所以就不能再按這種機(jī)制創(chuàng)建線程。雖然在同一個(gè)類中可以實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量的接口，但 Java 編程語言只允許一個(gè)類有一個(gè)父類。同時(shí)，某些程序員避免從 Thread 類導(dǎo)出，因?yàn)樗鼜?qiáng)加了類層次。對于這種情況，就要 runnable 接口。
Runnable 接口
此接口只有一個(gè)函數(shù)， run() ，此函數(shù)必須由實(shí)現(xiàn)了此接口的類實(shí)現(xiàn)。但是，就運(yùn)行這個(gè)類而論，其語義與前一個(gè)示例稍有不同。我們可以用 runnable 接口改寫前一個(gè)示例。（不同的部分用黑體表示。）
創(chuàng)建兩個(gè)新線程而不強(qiáng)加類層次
import java.util.*;
class TimePrinter implements Runnable {
int pauseTime;
String name;
public TimePrinter(int x, String n) {
pauseTime = x;
name = n;
}
public void run() {
while(true) {
try {
System.out.println(name + ":" + new
Date(System.currentTimeMillis()));
Thread.sleep(pauseTime);
} catch(Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
}
static public void main(String args[]) {
Thread t1 = new Thread (new TimePrinter(1000, "Fast Guy"));
t1.start();
Thread t2 = new Thread (new TimePrinter(3000, "Slow Guy"));
t2.start();
}
}
請注意，當(dāng)使用 runnable 接口時(shí)，您不能直接創(chuàng)建所需類的對象并運(yùn)行它；必須從 Thread 類的一個(gè)實(shí)例內(nèi)部運(yùn)行它。許多程序員更喜歡 runnable 接口，因?yàn)閺?Thread 類繼承會強(qiáng)加類層次。
synchronized 關(guān)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(shù)據(jù)流，而且不會出現(xiàn)兩個(gè)線程訪問同一個(gè)對象的情況。但是，在大多數(shù)有用的程序中，線程之間通常有信息流。試考慮一個(gè)金融應(yīng)用程序，它有一個(gè) Account 對象，如下例中所示：
一個(gè)銀行中的多項(xiàng)活動(dòng)
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(gè)錯(cuò)誤。如果此類用于單線程應(yīng)用程序，不會有任何問題。但是，在多線程應(yīng)用程序的情況中，不同的線程就有可能同時(shí)訪問同一個(gè) Account 對象，比如說一個(gè)聯(lián)合帳戶的所有者在不同的 ATM 上同時(shí)進(jìn)行訪問。在這種情況下，存入和支出就可能以這樣的方式發(fā)生：一個(gè)事務(wù)被另一個(gè)事務(wù)覆蓋。這種情況將是災(zāi)難性的。但是， Java 編程語言提供了一種簡單的機(jī)制來防止發(fā)生這種覆蓋。每個(gè)對象在運(yùn)行時(shí)都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的鎖。這個(gè)鎖可通過為方法添加關(guān)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(shù)據(jù)損壞這樣的錯(cuò)誤：
對一個(gè)銀行中的多項(xiàng)活動(dòng)進(jìn)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(shù)都需要這個(gè)鎖來進(jìn)行操作，所以當(dāng)一個(gè)函數(shù)運(yùn)行時(shí)，另一個(gè)函數(shù)就被阻塞。請注意， checkBalance() 未作更改，它嚴(yán)格是一個(gè)讀函數(shù)。因?yàn)?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(jìn)行了同步處理。
Java 編程語言中的高級多線程支持
線程組
線程是被個(gè)別創(chuàng)建的，但可以將它們歸類到線程組中，以便于調(diào)試和監(jiān)視。只能在創(chuàng)建線程的同時(shí)將它與一個(gè)線程組相關(guān)聯(lián)。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(jì)算機(jī)上的目錄和文件結(jié)構(gòu)。
線程間發(fā)信
當(dāng)線程在繼續(xù)執(zhí)行前需要等待一個(gè)條件時(shí)，僅有 synchronized 關(guān)鍵字是不夠的。雖然 synchronized 關(guān)鍵字阻止并發(fā)更新一個(gè)對象，但它沒有實(shí)現(xiàn)線程間發(fā)信。 Object 類為此提供了三個(gè)函數(shù)： wait() 、 notify() 和 notifyAll() 。以全球氣候預(yù)測程序?yàn)槔＿@些程序通過將地球分為許多單元，在每個(gè)循環(huán)中，每個(gè)單元的計(jì)算都是隔離進(jìn)行的，直到這些值趨于穩(wěn)定，然后相鄰單元之間就會交換一些數(shù)據(jù)。所以，從本質(zhì)上講，在每個(gè)循環(huán)中各個(gè)線程都必須等待所有線程完成各自的任務(wù)以后才能進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。這個(gè)模型稱為 屏蔽同步，下例說明了這個(gè)模型：
屏蔽同步
public class BSync {
int totalThreads;
int currentThreads;
public BSync(int x) {
totalThreads = x;
currentThreads = 0;
}
public synchronized void waitForAll() {
currentThreads++;
if(currentThreads < totalThreads) {
try {
wait();
} catch (Exception e) {}
}
else {
currentThreads = 0;
notifyAll();
}
}
}
當(dāng)對一個(gè)線程調(diào)用 wait() 時(shí)，該線程就被有效阻塞，只到另一個(gè)線程對同一個(gè)對象調(diào)用 notify() 或 notifyAll() 為止。因此，在前一個(gè)示例中，不同的線程在完成它們的工作以后將調(diào)用 waitForAll() 函數(shù)，最后一個(gè)線程將觸發(fā) notifyAll() 函數(shù)，該函數(shù)將釋放所有的線程。第三個(gè)函數(shù) notify() 只通知一個(gè)正在等待的線程，當(dāng)對每次只能由一個(gè)線程使用的資源進(jìn)行訪問限制時(shí)，這個(gè)函數(shù)很有用。但是，不可能預(yù)知哪個(gè)線程會獲得這個(gè)通知，因?yàn)檫@取決于 Java 虛擬機(jī) (JVM) 調(diào)度算法。
將 CPU 讓給另一個(gè)線程
當(dāng)線程放棄某個(gè)稀有的資源（如數(shù)據(jù)庫連接或網(wǎng)絡(luò)端口）時(shí)，它可能調(diào)用 yield() 函數(shù)臨時(shí)降低自己的優(yōu)先級，以便某個(gè)其他線程能夠運(yùn)行。
守護(hù)線程
有兩類線程：用戶線程和守護(hù)線程。用戶線程是那些完成有用工作的線程。 守護(hù)線程是那些僅提供輔助功能的線程。 Thread 類提供了 setDaemon() 函數(shù)。 Java 程序?qū)⑦\(yùn)行到所有用戶線程終止，然后它將破壞所有的守護(hù)線程。在 Java 虛擬機(jī) (JVM) 中，即使在 main 結(jié)束以后，如果另一個(gè)用戶線程仍在運(yùn)行，則程序仍然可以繼續(xù)運(yùn)行。
避免不提倡使用的方法
不提倡使用的方法是為支持向后兼容性而保留的那些方法，它們在以后的版本中可能出現(xiàn)，也可能不出現(xiàn)。 Java 多線程支持在版本 1.1 和版本 1.2 中做了重大修訂， stop() 、 suspend() 和 resume() 函數(shù)已不提倡使用。這些函數(shù)在 JVM 中可能引入微妙的錯(cuò)誤。雖然函數(shù)名可能聽起來很誘人，但請抵制誘惑不要使用它們。
調(diào)試線程化的程序
在線程化的程序中，可能發(fā)生的某些常見而討厭的情況是死鎖、活鎖、內(nèi)存損壞和資源耗盡。
死鎖
死鎖可能是多線程程序最常見的問題。當(dāng)一個(gè)線程需要一個(gè)資源而另一個(gè)線程持有該資源的鎖時(shí)，就會發(fā)生死鎖。這種情況通常很難檢測。但是，解決方案卻相當(dāng)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(gè)資源 — A 、 B 、 C 和 D — 并且一個(gè)線程可能要獲取四個(gè)資源中任何一個(gè)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 1 ”希望獲取對 B 和 C 的鎖，而“線程 2 ”獲取了 A 、 C 和 D 的鎖，則這一技術(shù)可能導(dǎo)致阻塞，但它永遠(yuǎn)不會在這四個(gè)鎖上造成死鎖。
活鎖
當(dāng)一個(gè)線程忙于接受新任務(wù)以致它永遠(yuǎn)沒有機(jī)會完成任何任務(wù)時(shí)，就會發(fā)生活鎖。這個(gè)線程最終將超出緩沖區(qū)并導(dǎo)致程序崩潰。試想一個(gè)秘書需要錄入一封信，但她一直在忙于接電話，所以這封信永遠(yuǎn)不會被錄入。
內(nèi)存損壞
如果明智地使用 synchronized 關(guān)鍵字，則完全可以避免內(nèi)存錯(cuò)誤這種氣死人的問題。
資源耗盡
某些系統(tǒng)資源是有限的，如文件描述符。多線程程序可能耗盡資源，因?yàn)槊總€(gè)線程都可能希望有一個(gè)這樣的資源。如果線程數(shù)相當(dāng)大，或者某個(gè)資源的侯選線程數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可用的資源數(shù)，則最好使用 資源池。一個(gè)最好的示例是數(shù)據(jù)庫連接池。只要線程需要使用一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接，它就從池中取出一個(gè)，使用以后再將它返回池中。資源池也稱為 資源庫。
調(diào)試大量的線程
有時(shí)一個(gè)程序因?yàn)橛写罅康木€程在運(yùn)行而極難調(diào)試。在這種情況下，下面的這個(gè)類可能會派上用場：
public class Probe extends Thread {
public Probe() {}
public void run() {
while(true) {
Thread[] x = new Thread[100];
Thread.enumerate(x);
for(int i=0; i<100; i++) {
Thread t = x[i];
if(t == null)
break;
else
System.out.println(t.getName() + " " + t.getPriority()
+ " " + t.isAlive() + " " + t.isDaemon());
}
}
}
}
限制線程優(yōu)先級和調(diào)度
Java 線程模型涉及可以動(dòng)態(tài)更改的線程優(yōu)先級。本質(zhì)上，線程的優(yōu)先級是從 1 到 10 之間的一個(gè)數(shù)字，數(shù)字越大表明任務(wù)越緊急。 JVM 標(biāo)準(zhǔn)首先調(diào)用優(yōu)先級較高的線程，然后才調(diào)用優(yōu)先級較低的線程。但是，該標(biāo)準(zhǔn)對具有相同優(yōu)先級的線程的處理是隨機(jī)的。如何處理這些線程取決于基層的操作系統(tǒng)策略。在某些情況下，優(yōu)先級相同的線程分時(shí)運(yùn)行；在另一些情況下，線程將一直運(yùn)行到結(jié)束。請記住， Java 支持 10 個(gè)優(yōu)先級，基層操作系統(tǒng)支持的優(yōu)先級可能要少得多，這樣會造成一些混亂。因此，只能將優(yōu)先級作為一種很粗略的工具使用。最后的控制可以通過明智地使用 yield() 函數(shù)來完成。通常情況下，請不要依靠線程優(yōu)先級來控制線程的狀態(tài)。
小結(jié)
本文說明了在 Java 程序中如何使用線程。像是否應(yīng)該使用線程這樣的更重要的問題在很大程序上取決于手頭的應(yīng)用程序。決定是否在應(yīng)用程序中使用多線程的一種方法是，估計(jì)可以并行運(yùn)行的代碼量。并記住以下幾點(diǎn)：
☆ 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(shí)現(xiàn)，則不同的線程可以在不同的處理器上同時(shí)運(yùn)行（在多 CPU 的機(jī)器中），從而使多 CPU 機(jī)器得到充分利用。
☆ 如果應(yīng)用程序是計(jì)算密集型的，并受 CPU 功能的制約，則只有多 CPU 機(jī)器能夠從更多的線程中受益。
☆ 當(dāng)應(yīng)用程序必須等待緩慢的資源（如網(wǎng)絡(luò)連接或數(shù)據(jù)庫連接）時(shí)，或者當(dāng)應(yīng)用程序是非交互式的時(shí)，多線程通常是有利的。
☆ 基于 Internet 的軟件有必要是多線程的；否則，用戶將感覺應(yīng)用程序反映遲鈍。例如，當(dāng)開發(fā)要支持大量客戶機(jī)的服務(wù)器時(shí)，多線程可以使編程較為容易。在這種情況下，每個(gè)線程可以為不同的客戶或客戶組服務(wù)，從而縮短了響應(yīng)時(shí)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。