Java语言深入－－对JAVA的多线程浅析

 　一 JAVA 语言的、及特点

　　在这个高速信息的时代，商家们纷纷把信息、产品做到Internet国际互连网页上。再这些不寻常网页的背后，要属功能齐全、安全可靠的编程语言，Java是当之无愧的。Java是由Sun Microsystem开发的一种功能强大的新型程序设计语言。是与平台无关的编程语言。它是一种简单的、面象对象的、分布式的、解释的、键壮的、安全的、结构的中立的、可移植的、性能很优异的、多线程的、动态的、语言。

　　Java自问世以后，以其编程简单、代码高效、可移植性强，很快受到了广大计算机编程人士的青睐。Java语言是Internet上具有革命性的编程语言，它具有强大的动画、多媒体和交互功能，他使World Web进入了一个全新的时代。Java语言与C++极为类似，可用它来创建安全的、可移植的、多线程的交互式程序。另外用Java开发出来的程序与平台无关，可在多种平台上运行。后台开发，是一种高效、实用的编程方法。人们在屏幕前只能看到例如图案、计算的结果等。实际上操作系统往往在后台来调度一些事件、管理程序的流向等。例如操作系统中的堆栈，线程间的资源分配与管理，内存的创建、访问、管理等。可谓举不盛举。下面就多线程来谈一谈。

　　二 JAVA的多线程理论

　　2.1引入

　　Java提供的多线程功能使得在一个程序里可同时执行多个小任务。线程有时也称小进程是一个大进程里分出来的小的独立的进程。因为Java实现的多线程技术，所以比C和C++更键壮。多线程带来的更大的好处是更好的交互性能和实时控制性能。当然实时控制性能还取决于系统本身(UNIX,Windows,Macintosh等)，在开发难易程度和性能上都比单线程要好。传统编程环境通常是单线程的，由于JAVA是多线程的。尽管多线程是强大而灵巧的编程工具，但要用好却不容易，且有许多陷阱，即使编程老手也难免误用。为了更好的了解线程，用办公室工作人员作比喻。办公室工作人员就象CPU，根据上级指示做工作，就象执行一个线程。在单线程环境中，每个程序编写和执行的方式是任何时候程序只考虑一个处理顺序。用我们的比喻，就象办公室工作人员从头到尾不受打扰和分心，只安排做一个工作。当然，实际生活中工作人员很难一次只有一个任务，更常见的是工作人员要同时做几件事。老板将工作交给工作人员，希望工作人员做一这个工作，再做点那个工作，等等。如果一个任务无法做下去了，比如工作人员等待另一部门的信息，则工作人员将这个工作放在一边，转入另一个工作。一般来说，老板希望工作人员手头的各个任务每一天都有一些进展。这样就引入了多线程的概念。多线程编程环境与这个典型的办公室非常相似，同时给CPU分配了几个任务或线程。和办公室人员一样，计算机CPU实际上不可能同一时间做几件事，而是把时间分配到不同的线程，使每个线程都有点进展。如果一个线程无法进行，比如线程要求的键盘输入尚未取得，则转入另一线程的工作。通常，CPU在线程间的切换非常迅速，使人们感觉到好象所有线程是同时进行的。

　　任何处理环境，无论是单线程还是多线程，都有三个关键方面。第一个是CPU，它实际上进行计算机活动；第二个是执行的程序的代码；第三个是程序操作的数据。

　　在多线程编程中，每个线程都用编码提供线程的行为，用数据供给编码操作。多个线程可以同时处理同一编码和数据，不同的线程也可能各有不同的编码和数据。事实上编码和数据部分是相当独立的，需要时即可向线程提供。因此经常是几个线程使用同一编码和不同的数据。这个思想也可以用办公室工作人员来比喻。会计可能要做一个部门的帐或几个或几个部门的帐。任何情况的做帐的任务是相同的程序代码，但每个部门的数据是不同的。会计可能要做整个公司的帐，这时有几个任务，但有些数据是共享的，因为公司帐需要来自各个部门的数据。

　　多线程编程环境用方便的模型隐藏CPU在任务切换间的事实。模型允许假装成有多个可用的CPU。为了建立另一个任务，编程人员要求另一个虚拟CPU，指示它开始用某个数据组执行某个程序段。下面我们来建立线程。

　　建立线程

　　在JAVA中建立线程并不困难，所需要的三件事：执行的代码、代码所操作的数据和执行代码的虚拟CPU。虚拟CPU包装在Thread类的实例中。建立Thread对象时，必须提供执行的代码和代码所处理的数据。JAVA的面向对象模型要求程序代码只能写成类的成员方法。数据只能作为方法中的自动（或本地）变量或类的成员存在。这些规则要求为线程提供的代码和数据应以类的实例的形式出现。

　　Public class SimpleRunnable implemants Runable{

　　Private String message;

　　Public static void main(String args){

　　SimpleRunnable r1=new SimpleRunnable("Hello");

　　Thread t1=new Thread(r1);

　　t1.start();

　　}

　　public SimpleRunnable(String message){

　　this.message=message;

　　}

　　public void run(){

　　for(;;){

　　System.out.println(message);

　　}

　　}

　　}

　　线程开始执行时，它在public void run()方法中执行。这种方法是定义的线程执行的起点，就象应用程序从main()开始、小程序从init()开始一样。线程操作的本地数据是传入线程的对象的成员。

　　首先，main()方法构造SimpleRunnable类的实例。注意，实例有自己的数据，这里是一个String,初始化为"Hello".由于实例r1传入Thread类构造器，这是线程运行时处理的数据。执行的代码是实例方法run()。

　　2.2 线程的管理

　　单线程的程序都有一个main执行体，它运行一些代码，当程序结束执行后，它正好退出，程序同时结束运行。在JAVA中我们要得到相同的应答，必须稍微进行改动。只有当所有的线程退出后，程序才能结束。只要有一个线程一直在运行，程序就无法退出。线程包括四个状态：new(开始),running(运行),wait(等候)和done(结束)。第一次创建线程时，都位于new状态，在这个状态下，不能运行线程，只能等待。然后，线程或者由方法start开始或者送往done状态，位于done中的线程已经结束执行，这是线程的最后一个状态。一旦线程位于这个状态，就不能再次出现，而且当JAVA虚拟机中的所有线程都位于done状态时，程序就强行中止。当前正在执行的所有线程都位于running状态，在程序之间用某种方法把处理器的执行时间分成时间片，位于running状态的每个线程都是能运行的，但在一个给定的时间内，每个系统处理器只能运行一个线程。与位于running状态的线程不同，由于某种原因，可以把已经位于waiting状态的线程从一组可执行线程中删除。如果线程的执行被中断，就回到waiting状态。用多种方法能中断一个线程。线程能被挂起，在系统资源上等候，或者被告知进入休眠状态。该状态的线程可以返回到running状态，也能由方法stop送入done状态．

　　2.3线程的调度

　　线程运行的顺序以及从处理器中获得的时间数量主要取决于开发者，处理器给每个线程分配一个时间片，而且线程的运行不能影响整个系统。处理器线程的系统或者是抢占式的，或者是非抢占式的。抢占式系统在任何给定的时间内将运行最高优先级的线程，系统中的所有线程都有自己的优先级。Thread.NORM_PRIORITY是线程的缺省值，Thread类提供了setPriority和getPriority方法来设置和读取优先权，使用setPriority方法能改变Java虚拟机中的线程的重要性，它调用一个整数，类变量Thread.MIN_PRIORITY和Thread.MAX_PRIORITY决定这个整数的有效范围。Java虚拟机是抢占式的，它能保证运行优先级最高的线程。在JAVA虚拟机中我们把一个线程的优先级改为最高，那么他将取代当前正在运行的线程，除非这个线程结束运行或者被一条休眠命令放入waiting状态，否者将一直占用所有的处理器的时间。如果遇到两个优先级相同的线程，操作系统可能影响线程的执行顺序。而且这个区别取决于时间片（time slicing）的概念。

　　管理几个线程并不是真正的难题，对于上百个线程它是怎样管理的呢？当然可以通过循环，来执行每一个线程，但是这显然是冗长、乏味。JAVA创建了线程组。线程组是线程的一个谱系组，每个组包含的线程数不受限制，能对每个线程命名并能在整个线程组中执行(Suspend)和停止(Stop)这样的操作。 ||| 　　2.4信号标志：保护其它共享资源

　　这种类型的保护被称为互斥锁。某个时间只能有一个线程读取或修改这个数据值。在对文件尤其是信息数据库进行处理时，读取的数据总是多于写数据，根据这个情况，可以简化程序。下面举一例，假设有一个雇员信息的数据库，其中包括雇员的地址和电话号码等信息，有时要进行修改，但要更多的还是读数据，因此要尽可能防止数据被破坏或任意删改。我们引入前面互斥锁的概念，允许一个读取锁（red lock）和写入锁（write lock）,可根据需要确定有权读取数据的人员，而且当某人要写数据时，必须有互斥锁，这就是信号标志的概念。信号标志有两种状态，首先是empty()状态，表示没有任何线程正在读或写，可以接受读和写的请求，并且立即提供服务；第二种状态是reading()状态，表示有线程正在从数据库中读信息，并记录进行读操作的线程数，当它为0时，返回empty状态，一个写请求将导致这个线程进入等待状态。

　　只能从empty状态进入writing状态，一旦进入writing状态后，其它线程都不能写操作，任何写或读请求都必须等到这个线程完成写操作为止，而且waiting状态中的进程也必须一直等到写操作结束。完成操作后，返回到empty状态，发送一个通知信号，等待的线程将得到服务。

　　下面实现了这个信号标志

　　class Semaphore{

　　final static int EMPTY=0;

　　final static int READING=1;

　　final static int WRITING=2;

　　protected int state=EMPTY;

　　protected int readCnt=0;

　　public synchronized void readLock(){

　　if(state==EMPTY){

　　state=READING;

　　}

　　else if(state==READING){

　　}

　　else if(state==WRITING){

　　while(state==WRITING){

　　try {wait();}

　　catch(InterruptedException e){;}

　　}

　　state=READING;

　　}

　　readCnt++;

　　return;

　　}

　　public synchronized void writeLock(){

　　if(state==EMPTY){

　　state=WRITING;

　　}

　　else{

　　while(state!=EMPTY){

　　try {wait();}

　　catch(InterruptedException e) {;}

　　}

　　}

　　}

　　public synchronized void readUnlock(){

　　readCnt--;

　　if(readCnt==0){

　　state=EMPTY;

　　notify();

　　}

　　}

　　public synchronized void writeUnlock(){

　　state=EMPTY;

　　notify();

　　}

　　} ||| 　　现在是测试信号标志的程序：

　　class Process extends Thread{

　　String op;

　　Semaphore sem;

　　Process(String name,String op,Semaphore sem){

　　super(name);

　　this.op=op;

　　this.sem=sem;

　　start();

　　}

　　public void run(){

　　if(op.compareTo("read")==0){

　　System.out.println("Trying to get readLock:"+getName());

　　sem.readLock();

　　System.out.println("Read op:"+getName());

　　try {sleep((int)(Math.random()*50));}

　　catch(InterruptedException e){;}

　　System.out.println("Unlocking readLock:"+getName());

　　sem.readUnlock();

　　}

　　else if(op.compareTo("write")==0){

　　System.out.println("Trying to get writeLock:"+getName());

　　sem.writeLock();

　　System.out.println("Write op:"+getName());

　　try {sleep((int)(Math.random()*50));}

　　catch(InterruptedException e){;}

　　System.out.println("Unlocking writeLock:"+getName());

　　sem.writeUnlock();

　　}

　　}

　　}

　　public class testSem{

　　public static void main(String argv){

　　Semaphore lock = new Semaphore();

　　new Process("1","read",lock);

　　new Process("2","read",lock);

　　new Process("3","write",lock);

　　new Process("4","read",lock);

　　}

　　}

　　testSem 类从process类的四个实例开始，它是个线程，用来读或写一个共享文

　　件。Semaphore类保证访问不会破坏文件，执行程序，输出结果

　　Trying to get readLock:1

　　Read op:1

　　Trying to get readLock:2

　　Read op:2

　　Trying to get writeLock:3

　　Trying to get readLock:4

　　Read op:4

　　Unlocking readLock:1

　　Unlocking readLock:2

　　Unlocking readLock:4

　　Write op:3

　　Unlocking writeLock:3

　　从这可看到，

　　2.5死锁以及怎样避免死锁：

　　为了防止数据项目的并发访问，应将数据项目标为专用，只有通过类本身的实例方法的同步区访问。为了进入关键区，线程必须取得对象的锁。假设线程要独占访问两个不同对象的数据，则必须从每个对象各取一个不同的锁。现在假设另一个线程也要独占访问这两个对象，则该进程必须得到这两把锁之后才能进入。由于需要两把锁，编程如果不小心就可能出现死锁。假设第一个线程取得对象A的锁，准备取对象B的锁，而第二个线程取得了对象B的锁，准备取对象A的锁，两个线程都不能进入，因为两者都不能离开进入的同步块，既两者都不能放弃目前持有的锁。避免死锁要认真设计。线程因为某个先决条件而受阻时，如需要锁标记时，不能让线程的停止本身禁止条件的变化。如果要取得多个资源，如两个不同对象的锁，必须定义取得资源的顺序。如果对象A和B的锁总是按字母顺序取得，则不会出现前面说道的饿死条件。

　　三Java多线程的优缺点

　　由于JAVA的多线程功能齐全，各种情况面面具到，它带来的好处也是显然易见的。多线程带来的更大的好处是更好的交互性能和实时控制性能。当然实时控制性能还取决于系统本身(UNIX,Windows,Macintosh 等)，在开发难易程度和性能上都比单线程要好。当然一个好的程序设计语言肯定也难免有不足之处。由于多线程还没有充分利用基本OS的这一功能。这点我在前面已经提到，对于不同的系统，上面的程序可能会出现截然不同的结果，这使编程者偶会感到迷惑不解。希望在不久的将来JAVA的多线程能充分利用到操作系统，减少对编程者的困惑。我期待着JAVA会更好。