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耶党
5 years ago
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1 Java 软件设计基础 Java 线程机制

2 1.Java 中的多线程机制基本概念程序程序是为完成特定任务用某种语言编写的一组指令的集合, 指一段静态的代码进程进程是程序的一次执行过程, 是系统进行调度和资源分配的一个独立单位, 每个进程都有自己独立的一块内存空间一组系统资源在进程概念中, 每个进程的内部数据和状态都是完全独立的计算机上同时运行多个程序叫进程并发操作系统按照一定的策略调度各个进程执行, 以便最大限度的利用计算机的各种资源线程的基本概念线程 (Thread) 是进程中某个单个顺序的控制流, 也被称为轻量进程 (Lightweight Process)

3 线程是进程中的实体一个进程可以有多个线程, 一个线程必须有一个父进程线程不拥有系统资源, 只有运行必需的一些数据结构 ; 它与父进程的其他线程共享该进程拥有的全部资源多线程多线程指在单个程序中可以同时运行多个不同的线程, 执行不同的任务, 这是实现并发机制的一种有效手段操作系统使用分时管理各个进程, 按时间片轮流执行每个进程 Java 的多线程就是在操作系统每次分时给 Java 程序一个时间片的 CPU 时间内, 在若干独立的可控制的线程之间切换

4 多个线程运行在多个 CPU 上多个线程共享单个 CPU

5 线程的生命周期同进程一样, 线程也有从创建运行到消亡的过程, 这称为线程的生命周期创建状态用 new 关键字和 Thread 类或其子类建立一个线程对象后, 该线程对象就处于创建状态, 这是线程已被创建但未开始执行的特殊状态处于创建状态的线程是一个空的线程对象, 系统不为它分配资源, 但有自己的内存空间创建状态的线程通过调用 start() 方法进入就绪状态

6 就绪状态处于就绪状态的线程已经具备了运行条件, 但还没有分配到 CPU, 因而将进入线程队列, 等待系统为其分配 CPU 线程根据自身优先级进入等待队列的相应位置一旦获得 CPU, 线程就进入运行状态, 并自动调用自己的 run() 方法运行状态进入运行状态的线程顺序执行自己 run() 方法中的代码, 直到调用其他方法而终止, 或等待某资源而阻塞, 或完成任务而死亡运行状态表示线程拥有了对处理器的控制权, 其代码正在运行, 除非运行过程的控制权被另一优先级更高的线程抢占, 否则这个线程将一直持续到运行完毕

7 阻塞状态处于运行状态的线程在某些情况下让出 CPU 并暂时终止自己的运行, 进入阻塞状态执行了 sleep() 方法 ; 等待 I/O 设备等资源在阻塞状态的线程不能进入就绪队列, 只有当引起阻塞的原因消除时才能转入就绪状态睡眠时间已到等待的 I/O 设备空闲当再次获得 CPU 时, 从原来终止的位置开始继续运行注意 : 若线程正在等待某个条件, 那么相关联的另一个线程必须通过调用 notify() 或 notifyall() 方法告诉正在等待的线程条件发生了变化

8 死亡状态这是线程生命周期中的最后一个阶段, 表示线程已退出运行状态, 并且不再进入就绪队伍当线程的 run() 方法结束或由于其他原因被终止后, 线程就进入消亡状态线程的终止分两种情况 : 总结自然死亡» 即从线程的 run() 方法正常退出 ; 被强制性终止» 使用 Thread 类中的 destroy() 方法或 stop() 方法终止»Java 系统不赞成使用 destroy() 方法或 stop() 方法终止线程, 因为若使用不当, 可能会导致程序的死锁

9 多线程的实现方法多线程有两种实现方法 : 通过继承创建 Thread 类的子类来实现 ; 利用 Runnable 接口来实现当程序作为一个应用程序运行时,Java 解释器为 main 方法启动一个线程当程序作为一个 applet 运行时,Web 浏览器启动一个线程来运行 applet 在程序中还可以创建附加的线程以执行并发的任务 Java 中每个任务都是一个 Runnable 接口的实例, 也称为可运行对象线程本质上就是实现任务的对象

10 创建任务和线程创建任务声明一个任务类, 它必须实现 Runnable 接口 Runnable 接口只包含一个 run 方法, 需要实现这个方法来告诉系统线程是如何运行的一旦声明了一个任务类, 就可以利用其构造方法创建一个任务在线程中执行任务根据任务对象创建线程 ; 调用 start 方法告诉 JVM 该线程准备运行 JVM 通过调用任务中的 run 方法执行任务

11 线程的一些常用方法 : start() 方法线程调用该方法启动一个线程, 使之从新建状态进入就绪队列排队, 一旦轮到它来使用 CPU 资源时, 就可以脱离创建它的主线程独立开始自己的生命周期 run() 方法线程的所有活动都是通过线程体 run() 方法来定义并实现它被调用以后所执行的操作 Runnable 接口中的 run() 方法是由系统自动调用而用户程序不得引用的方法 sleep() 方法使线程睡眠一段时间, 单位为毫秒正在运行的高优先级线程可以在它的 run() 方法体中调用 sleep() 方法来使自己放弃处理器资源而休眠一段时间, 长短由 sleep() 方法的参数决定如果线程在休眠时被打断,JVM 就抛出 InterruptedException 异常, 因此必须在 try-catch 语句块中调用 sleep() 方法

12 isalive() 方法测试线程是否处于活动状态 interrupt() 方法用来唤醒休眠的线程系统可以通过一定方式让休眠的线程分别调用 interrupt() 方法, 导致休眠的线程发生 InterruptedException 异常, 从而结束休眠, 重新排队等待 CPU 资源 yield() 方法把线程移到队列的尾部 destroy() 方法结束线程生命周期但不做清理工作 stop() 方法结束线程生命周期并执行清理工作

13 线程调度与优先级在 CPU 上以某种次序执行多个线程被称为调度线程调度器为了控制线程的运行策略,Java 定义了线程调度器来监控系统中处于就绪状态的所有线程线程调度器采用抢占式策略来按照线程的优先级决定哪个线程获取处理器投入运行优先级 Java 将线程的优先级分为 10 个等级, 用 1~10 表示, 数字越大表示优先级越高 Thread 类中定义了三个成员变量 : MIN_PRIORITY: 最低级 (1 级 )

14 MAX_PRIORITY: 最高级 (10 级 ) NORM_PRIORITY: 普通优先级 (5 级 ) 当线程对象被创建时, 默认优先级是 5 级线程可以通过调用 setpriority 方法改变优先级抢占式调度实例时间片方式独占方式

15 注意 : 并不是在所有系统中运行 Java 程序时都采用时间片策略调度线程一个线程在空闲时应该主动放弃 CPU, 以使其他同优先级和低优先级的线程得到执行在 Java 中比较特殊的一类线程是被称作守护 (Daemon) 线程的低级别线程, 这种线程具有最低的优先级, 用于为系统中的其他对象和线程提供服务可以通过 setdaemon 方法将一个线程设置为守护线程 JVM 中的系统资源回收线程就是典型的守护线程

16 2. 多线程的创建与实现 Thread 类在默认情况下 run() 是空的, 必须根据需要重新设计线程的 run 方法, 再使用 start 方法启动线程, 将执行权转交到 run

17 过程使应用程序继承 Thread 类, 并且在该类的 run 方法中实现并发性处理过程优点注意可以在子类中增加新的成员变量, 使线程具有某种属性 ; 可以在子类中增加新的方法, 是线程具有某种功能 ; run() 方法必须进行重写, 把要在多个线程中并行处理的代码放到这个方法中虽然 run() 方法实现了多个线程的并行处理, 但不能直接调用 run() 方法, 而是通过 start() 方法来调用在调用 start() 的时候,start 方法会首先进行与多线程相关的初始化, 然后再自动调用 run() 方法实例

19 Runnable 接口 Runnable 接口中定义的 run 方法还可以通过向 Thread() 类构造方法传递一个实现了 Runnable 接口的对象来创建进程 Thread 类有多个构造方法, 其中可以接受 Runnable 参数的构造方法有以下两个 : 通过 Runnable 接口实现线程的步骤 : 定义实现 Runnable 接口的类

20 创建实现 Runnable 接口的类对象创建线程对象启动线程实现接口 Runnable 的类仍然可以继承其他父类, 例如 : 实现 Runnable 接口的多线程应用程序框架 :

21 实例

22 public class RunnableEx{ public static void main(string args[]){ Target first,second; first=new Target("First thread ");second=new Target("Second thread "); Thread one,two; one=new Thread(first);two=new Thread(second); one.start();two.start(); class Target implements Runnable{ String s; public Target(String s){ this.s=s; System.out.println(s+"Now building"); public void run(){ System.out.println(s+"Now running"); try{ Thread.sleep(1000); catch(interruptedexception e){system.out.println(e.tostring()); System.out.println(s+"Now over"); First thread Now building Second thread Now building First thread Now running Second thread Now running Second thread Now over First thread Now over

23 继承 Thread 类与实现 Runnable 接口的对比使用 Runnable 接口 : 可以将 CPU 代码和数据分开, 形成清晰的风格 ; 可以从其他类继承, 适用面广, 保持程序风格的一致性 ; 直接继承 Thread 类 : 编写简单, 可以直接操纵线程, 但不能再从其他类继承

25 也可以将以上模式改写如下 : 声明一个 Thread 类的子类, 并实现 Runnable 接口然后在客户端程序中用这个类生成一个对象, 并调用它的 start 方法来启动线程不推荐使用以上模式, 因为它将任务和任务运行的机制混在一起将任务从线程中分离出来是比较好的设计

26 3. 线程的同步与死锁线程的等待 Java 程序中的线程并发运行将共同争夺 CPU 资源, 哪个线程抢夺到 CPU 资源后就开始运行线程之间往往会有冲突, 为规避这种现象, 引入线程等待的概念由于线程的调度执行是按照优先级高低的顺序进行, 因此可使用 sleep 方法让高级线程休眠一段时间使得低优先级线程有机会执行暂停线程执行的方法 sleep() 方法 suspend() 方法和 resume() 方法线程的暂停和恢复可通过调用 suspend() 方法使线程暂时由可运行状态切换到不可运行状态若此线程想再回到可运行状态, 必须由其他线程调用 resume() 方法来实现

27 由于普遍认为上述两种方法和 stop 方法具有内在的不安全因素, 在 Java2 中不提倡这些方法为了替代 stop() 的使用, 可以通过给 Thread 变量赋值为 null, 指出要停止它的运行 join() 方法表示当前线程等待调用该方法的线程结束后再恢复执行一个线程 A 在占有 CPU 资源期间, 可以让其他线程 B 调用 join() 方法与本线程联合, 即 B.join();, 这样称 A 在运行期间联合了 B 如果线程 A 在占有 CPU 资源期间一旦联合 B 线程, 那么 A 线程将立即中断运行, 一直等到它联合的线程 B 执行完毕,A 线程才再重新排队等待 CPU 资源如果 A 准备联合的线程 B 已经结束, 则 B.join(); 语句将不起任何作用

28 实例 class ThreadEx2 extends Thread{ String s; int m,i=0; ThreadEx2(String s){ this.s=s; public void run(){ try{ for(i=0;i<4;i++){ sleep((int)(500*math.random())); System.out.println(s); System.out.println(s+"finished"); catch(interruptedexception e){return; public static void main(string args[]){ ThreadEx2 a=new ThreadEx2("a "); ThreadEx2 b=new ThreadEx2("b "); a.start();b.start(); System.out.println("main is finished"); main is finished a b a b a b a a finished b b finished

29 public class ThreadJoin{ public static void main(string argsp[]){ TJoin a = new TJoin(); a.threada.start(); a.threadb.start(); class TJoin implements Runnable{ Thread threada,threadb; String content[]={" 各就位 "," 预备 "," 跑 "; public TJoin(){ threada=new Thread(this); threadb=new Thread(this); threadb.setname(" 发令员 "); public void run(){ if(thread.currentthread()==threada){ System.out.println(" 等待 "+threadb.getname()+" 发令 "); try{threadb.join(); catch(interruptedexception e){return; System.out.println(" 开始跑!"); else if(thread.currentthread()==threadb){ System.out.println(threadB.getName()+" 发令 :"); for(int i=0;i<content.length;i++){ System.out.println(content[i]); try{threadb.sleep(1000); catch(interruptedexception e){return;

30 线程的同步线程同步概念的提出 Java 应用程序的多个线程共享同一进程的数据资源, 多个用户线程在并发运行过程中可能会同时访问具有敏感性的内容一个线程需要修改该内容时, 另一个线程也要修改该内容, 系统需要对以上情况作出使当的处理 Java 中定义了线程同步的概念, 用来实现共享数据的一致性维护线程同步的使用主要是保证一个进程中多个线程的协调工作, 使得线程安全的共享数据, 转换和控制线程的执行, 保证内存的一致性实现同步的方法在共享内存变量的方法前加上 synchronized 修饰符, 在程序的运行中, 如果某一线程调用经 synchronized 修饰的方法, 在该线程结束此方法之前, 其他所有线程都不能运行该方法, 只有等待到该方法被释放为止

31 在线程同步中要做的第一件事就是要把修改数据的方法用关键字 synchronized 来修饰 synchronized 修饰符的使用修饰方法放在对象前面限制一段代码的执行作为类修饰符, 表明该类中的方法都是 synchronized 的实例 :

32 public class BankEx{ public static void main(string args[]) throws InterruptedException{ BankSave bs=new BankSave(); Operator o1=new Operator(bs," 丈夫 "); Operator o2=new Operator(bs," 妻子 "); Thread t1=new Thread(o1); Thread t2=new Thread(o2); t1.start(); t2.start(); Thread.currentThread().sleep(500); class BankSave{ private static int money=1000; public void add(int i){ money=money+i; System.out.println(" 丈夫存入 "+i+" 元, 余额 "+money+" 元 "); public void get(int i){ if(i<=money){ money=money-i; System.out.println(" 妻子取走 "+i+" 元, 余额 "+money+" 元 "); else System.out.println(" 余额不足 "); public int showmoney(){return money;

33 丈夫存入 1000 元, 余额 2000 元丈夫存入 1000 元, 余额 3000 元丈夫存入 1000 元, 余额 4000 元丈夫存入 1000 元, 余额 5000 元丈夫存入 1000 元, 余额 6000 元妻子取走 1000 元, 余额 5000 元妻子取走 1000 元, 余额 4000 元妻子取走 1000 元, 余额 3000 元妻子取走 1000 元, 余额 2000 元妻子取走 1000 元, 余额 1000 元

34 线程的死锁当两个或多个线程等待一个不可能满足的条件时会发生死锁死锁是发生在线程间相互阻塞的现象, 允许多个线程并发访问共享资源时, 必须提供同步机制, 然而如果对这种机制使用不当, 可能会出现线程永远被阻塞的现象例如两个线程分别等待对方各自占有的一个资源, 就会产生死锁 Java 本身既不能预防死锁, 也不能发现死锁, 只能靠程序设计上的谨慎来避免线程的调度线程调度方法 Java 的线程同步运行会竞争资源, 但是它们的任务间存在一定的关联, 这就需要调度 Java 提供了三个方法实现线程的调度和通信 :

35 wait(): 等待方法可让当前线程放弃监视器并进入睡眠状态, 直到其他线程进入同一监视器并调用 notify() 方法为止 notify(): 唤醒方法可唤醒同一对象监视器中调用了 wait() 方法的第一个线程, 并把它移入锁申请队列 notifyall(): 唤醒所有线程的方法唤醒同一对象监视器中调用了 wait() 方法的所有线程, 具有最高优先级的线程首先被唤醒线程的调度规则如果两个或两个以上的线程都修改一个对象, 那么把执行修改的方法定义为 synchronized 的, 若对象更新影响到只读方法, 那么只读方法应该也定义为同步的 ; 如果一个线程必须等待一个对象状态发生变化, 那么它应该在对象内部等待, 而不是在外部等待, 它可以调用一个被同步的方法, 并让这个方法调用 wait(); 每当一个方法改变某个对象的状态时, 它应该调用 notifyall() 方法, 这给等待队列的线程提供机会来看一看执行环境是否已发生变化

36 wait() notify() notifyall() 方法属于 Object 类而非 Thread 类, 在使用时要仔细检查是否每个 wait() 方法都有相应的 notify() 或 notifyall() 方法且作用于相同的对象对于多个线程同时等待某个条件的情况, 当条件满足时应该使用 notifyall() 方法唤醒否则某些线程会一直等待下去导致死锁更为保险的做法是, 任何情况下都使用 notifyall() 方法唤醒等待的线程应当区分由于得不到锁而等待的线程和由于调用了 wait() 方法而等待的线程 wait() 和 notify() 只能在一个同步的方法或代码块内部调用, 若在一个不同步的方法内调用, 运行时将产生非法监视器状态异常 (IllegalMonitorStateException) Java 中的每个类都有一个主线程要执行一个程序, 那么这个类当中一定要有 main 方法,main 方法就是 Java 类中的主线程实例 : 模拟三人买票说明 :

37 售货员最初只有一张五元钱, 电影票五元一张排队的三人中,A 有一张二十元人民币,B 有一张十元人民币,C 有一张五元人民币如果给售票员的钱不是零钱, 而售票员又没有零钱找, 那么此人必须等待, 并允许后面的人买票, 以便售票员获得零钱分析 A/B/C 三人买票就像三个线程, 每个线程必须满足以上条件 ( 售票员有足够的找零或者提供售票员的是五元零钱 ) 才能执行 ; A/B/C 三人同时只能有一人向售票员买票 ; 不满足条件时需要等待

39 else if(receivemoney==20){ while(five<1 ten<1){ try{ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 请您一旁等待 "); wait(); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 结束等待 "); catch(interruptedexception e){ return; five--; ten--; twenty++; System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 给我二十元钱, 售票一张, 找零十五元 "); notifyall(); public class TicketEx{ public static void main(string args[]){ Cinema a = new Cinema(); a.a.start(); a.b.start(); a.c.start();

40 思考题 : 等待电梯的程序假设电梯停靠楼层为 1~8,8 个楼层都有可能有人要求搭乘电梯去往目的楼层电梯控制台在同一时刻只可能对一个方向 ( 上下 ) 作出响应, 并到达得到响应的楼层再复杂一些, 在响应后的某个行进方向上如果有楼层的搭乘要求符合该方向, 则顺便完成该要求如当前在 8 楼的电梯响应 1 楼的要求向下行进, 如果此时 4 楼的向下键被按下, 则在 4 楼停靠, 顺路搭载 4 楼的用户电梯的运行时间上的延迟可以用 sleep 方法完成, 未得到响应的用户则通过 wait 来等待

Chapter 9: Objects and Classes

Chapter 9: Objects and Classes Java application Java main applet Web applet Runnable Thread CPU Thread 1 Thread 2 Thread 3 CUP Thread 1 Thread 2 Thread 3 ,,. (new) Thread (runnable) start( ) CPU (running) run ( ) blocked CPU sleep(