Java线程知识深入解析
Java线程知识深入解析
一般来说,我们把正在计算机中执行的程序叫做"进程"(Process) ,而不将其称为程序(Program)。所谓"线程"(Thread),是"进程"中某个单一顺序的控制流。新兴的操作系统,如Mac,Windows NT,Windows 95等,大多采用多线程的概念,把线 程视为基本执行单位。线程也是Java中的相当重要的组成部分之一。
甚至最简单的Applet也是由多个线程来完成的。在Java中,任何一个Applet的paint()和update()方法都是由AWT(Abstract Window Toolkit)绘图与事件处理线程调用的,而Applet 主要的里程碑方法——init(),start(),stop()和destory() ——是由执行该Applet的应用调用的。
单线程的概念没有什么新的地方,真正有趣的是在一个程序中同时使用多个线程来完成不同的任务。某些地方用轻量进程(Lightweig ht Process)来代替线程,线程与真正进程的相似性在于它们都是单一顺序控制流。然而线程被认为轻量是由于它运行于整个程序的上下文内,能使用整个程序共有的资源和程序环境。
作为单一顺序控制流,在运行的程序内线程必须拥有一些资源作为必要的开销。例如,必须有执行堆栈和程序计数器在线程内执行的代码只在它的上下文中起作用,因此某些地方用"执行上下文"来代替"线程"。
线程属性
为了正确有效地使用线程,必须理解线程的各个方面并了解Java 实时系统。必须知道如何提供线程体、线程的生命周期、实时系统如何调度线程、线程组、什么是幽灵线程(Demo nThread)。
(1)线程体
所有的操作都发生在线程体中,在Java中线程体是从Thread类继承的run()方法,或实现Runnable接口的类中的run()方法。当线程产生并初始化后,实时系统调用它的run()方法。run()方法内的代码实现所产生线程的行为,它是线程的主要部分。
(2)线程状态
附图表示了线程在它的生命周期内的任何时刻所能处的状态以及引起状态改变的方法。这图并不是完整的有限状态图,但基本概括了线程中比较感兴趣和普遍的方面。以下讨论有关线程生命周期以此为据。
●新线程态(New Thread)
产生一个Thread对象就生成一个新线程。当线程处于"新线程"状态时,仅仅是一个空线程对象,它还没有分配到系统资源。因此只能启动或终止它。任何其他操作都会引发异常。
●可运行态(Runnable)
start()方法产生运行线程所必须的资源,调度线程执行,并且调用线程的run ()方法。在这时线程处于可运行态。该状态不称为运行态是因为这时的线程并不总是一直占用处理机。特别是对于只有一个处理机的PC而言,任何时刻只能有一个处于可运行态的线程占用处理 机。Java通过调度来实现多线程对处理机的共享。
●非运行态(Not Runnable)
当以下事件发生时,线程进入非运行态。
①suspend()方法被调用;
②sleep()方法被调用;
③线程使用wait()来等待条件变量;
④线程处于I/O等待
●死亡态(Dead)
当run()方法返回,或别的线程调用stop()方法,线程进入死亡态 。通常Applet使用它的stop()方法来终止它产生的所有线程。
(3)线程优先级
虽然我们说线程是并发运行的。然而事实常常并非如此。正如前面谈到的,当系统中只有一个CPU时,以某种顺序在单CPU情况下执行多线程被称为调度(scheduling)。Java采用的是一种简单、固定的调度法,即固定优先级调度。这种算法是根据处于可运行态线程的相对优先级来实行调度。当线程产生时,它继承原线程的优先级。在需要时可对优先级进行修改。在任何时刻,如果有多条线程等待运行, 系统选择优先级最高的可运行线程运行。只有当它停止、自动放弃、或由于某种原因成为非运行态低优先级的线程才能运行。如果两个线程具有相同的优先级,它们将被交替地运行。
Java实时系统的线程调度算法还是强制性的,在任何时刻,如果一个比其他线程优先级都高的线程的状态变为可运行态,实时系统将选择该线程来运行。
(4)幽灵线程
任何一个Java线程都能成为幽灵线程。它是作为运行于同一个进程内的对象和线程的服务提供者。例如,HotJava浏览器有一个称为" 后台图片阅读器"的幽灵线程,它为需要图片的对象和线程从文件系统或网络读入图片。幽灵线程是应用中典型的独立线程。它为同一应用中的其他对象和线程提供服务。幽灵线程的run()方法一般都是无限循环,等待服务请求。
(5)线程组
每个Java线程都是某个线程组的成员。线程组提供一种机制,使得多个线程集于一个对象内,能对它们实行整体操作。譬如,你能用一个方法调用来启动或挂起组内的所有线程。Java线程组由ThreadGroup类实现。当线程产生时,可以指定线程组或由实时系统将其放入某个缺省的线程组内。线程只能属于一个线程组,并且当线程产生后不能改变它所属的线程组。
多线程程序
对于多线程的好处这就不多说了。但是,它同样也带来了某些新的麻烦。只要在设计程序时特别小心留意,克服这些麻烦并不算太困难。
(1)同步线程
许多线程在执行中必须考虑与其他线程之间共享数据或协调执行状态。这就 需要同步机制。在Java中每个对象都有一把锁与之对应。但Java不提供单独的lock和unlock操作。它由高层的结构隐式实现, 来保证操作的对应。(然而,我们注意到Java虚拟机提供单独的monitorenter和monitorexit指令来实现lock和unlock操作。)
synchronized语句计算一个对象引用,试图对该对象完成锁操作, 并且在完成锁操作前停止处理。当锁操作完成synchronized语句体得到执行。当语句体执行完毕(无论正常或异常),解锁操作自动完成。作为面向对象的语言,synchronized经常与方法连用。一种比较好的办法是,如果某个变量由一个线程赋值并由别的线程引用或赋值,那么所有对该变量的访问都必须在某个synchromized语句或synchronized方法内。
现在假设一种情况：线程1与线程2都要访问某个数据区,并且要求线程1的访问先于线程2, 则这时仅用synchronized是不能解决问题的。这在Unix或Windows NT中可用Simaphore来实现。而Java并不提供。在Java中提供的是wait()和notify()机制。使用如下:
synchronized method-1(…){ call by thread 1. |
其中available是类成员变量,置初值为false。如果在method-2中检查available为假,则调用wait()。wait()的作用是使线程2进入非运行态,并且解锁。在这种情况下,method-1可以被线程1调用。当执行 notify()后。线程2由非运行态转变为可运行态。当method-1调用返回后。线程2 可重新对该对象加锁,加锁成功后执行wait()返回后的指令。这种机制也能适用于 其他更复杂的情况。
(2)死锁
如果程序中有几个竞争资源的并发线程，那么保证均衡是很重要的。系统均衡是指每个线程在执行过程中都能充分访问有限的资源。系统中没有饿死和死锁的线程。Java并不提供对死锁的检测机制。对大多数的Java程序员来说防止死锁是一种较好的选择。最简单的防止死锁的方法是对竞争的资源引入序号，如果一个线程需要几个资源，那么它必须先得到小序号的资源，再申请大序号的资源。
小结
线程是Java中的重要内容,多线程是Java的一个特点。虽然Java的同步互斥不如某些系统那么丰富,但适当地使用它们也能收到满意的效果。
Java多线程编程基础之线程和多线程
随着计算机技术的发展，编程模型也越来越复杂多样化。但多线程编程模型是目前计算机系统架构的最终模型。随着CPU主频的不断攀升，X86架构的硬件已经成为瓶，在这种架构的CPU主频最高为4G。事实上目前3.6G主频的CPU已经接近了顶峰。
如果不能从根本上更新当前CPU的架构(在很长一段时间内还不太可能)，那么继续提高CPU性能的方法就是超线程CPU模式。那么，作业系统、应用程序要发挥CPU的最大性能，就是要改变到以多线程编程模型为主的并行处理系统和并发式应用程序。
所以，掌握多线程编程模型，不仅是目前提高应用性能的手段，更是下一代编程模型的核心思想。多线程编程的目的，就是"最大限度地利用CPU资源"，当某一线程的处理不需要占用CPU而只和I/O,OEMBIOS等资源打交道时，让需要占用CPU资源的其它线程有机会获得CPU资源。从根本上说，这就是多线程编程的最终目的。
第一需要弄清的问题
如同程序和进程的区别，要掌握多线程编程，第一要弄清的问题是：线程对象和线程的区别。
线程对象是可以产生线程的对象。比如在java平台中Thread对象，Runnable对象。线程，是指正在执行的一个指点令序列。在java平台上是指从一个线程对象的start()开始，运行run方法体中的那一段相对独立的过程。
鉴于作者的水平，无法用更确切的词汇来描述它们的定义。但这两个有本质区别的概念请初学者细细体会，随着介绍的深入和例程分析的增加，就会慢慢明白它们所代表的真实含义。
天下难事必始于易，天下大事必始于细。
让我们先从最简单的"单线程"来入手：(1)带引号说明只是相对而言的单线程，(2)基于java。
1 class BeginClass{ |
如果我们成功编译了该java文件，然后在命令行上敲入：
1 java BeginClass |
现在发生了什么呢?每一个java程序员，从他开始学习java的第一分钟里都会接触到这个问题，但是，你知道它到底发生发什么?
JVM进程被启动，在同一个JVM进程中，有且只有一个进程，就是它自己。然后在这个JVM环境中，所有程序的运行都是以线程来运行。JVM最先会产生一个主线程，由它来运行指定程序的入口点。在这个程序中，就是主线程从main方法开始运行。当main方法结束后，主线程运行完成。JVM进程也随之退出。
我们看到的是一个主线程在运行main方法，这样的只有一个线程执行程序逻辑的流程我们称之为单线程。这是JVM提供给我们的单线程环境，事实上，JVM底层还至少有垃圾回收这样的后台线程以及其它非java线程，但这些线程对我们而言不可访问，我们只认为它是单线程的。
主线程是JVM自己启动的，在这里它不是从线程对象产生的。在这个线程中，它运行了main方法这个指令序列。理解它，但它没有更多可以研究的内容。
接触多线程
1 class MyThread extends Thread{ |
执行这个程序，main方法第一行产生了一个线程对象，但并没有线程启动。
main方法第二行产生了一个线程对象，并启动了一个线程。
main方法第三行，产生并启动一个线程后，主线程自己也继续执行其它语句。
我们先不研究Thread对象的具体内容，稍微来回想一下上面的两个概念，线程对象和线程。在JAVA中，线程对象是JVM产生的一个普通的Object子类。而线程是CPU分配给这个对象的一个运行过程。我们说的这个线程在干什么，不是说一个线程对象在干什么，而是这个运行过程在干什么。如果一时想不明白，不要急，但你要记得它们不是一回事就行了。
Java多线程初学者指南（1）：线程简介
一、线程概述
线程是程序运行的基本执行单元。当操作系统（不包括单线程的操作系统，如微软早期的DOS）在执行一个程序时，会在系统中建立一个进程，而在这个进程中，必须至少建立一个线程（这个线程被称为主线程）来作为这个程序运行的入口点。因此，在操作系统中运行的任何程序都至少有一个主线程。
进程和线程是现代操作系统中两个必不可少的运行模型。在操作系统中可以有多个进程，这些进程包括系统进程（由操作系统内部建立的进程）和用户进程（由用户程序建立的进程）；一个进程中可以有一个或多个线程。进程和进程之间不共享内存，也就是说系统中的进程是在各自独立的内存空间中运行的。而一个进程中的线程可以共享系统分派给这个进程的内存空间。
线程不仅可以共享进程的内存，而且还拥有一个属于自己的内存空间，这段内存空间也叫做线程栈， 是在建立线程时由系统分配的，主要用来保存线程内部所使用的数据，如线程执行函数中所定义的变量。
注意：任何一个线程在建立时都会执行一个函数，这个函数叫做线程执行函数。也可以将这个函数看做线程的入口点（类似于程序中的main函数）。无论使用什么语言或技术来建立线程，都必须执行这个函数（这个函数的表现形式可能不一样，但都会有一个这样的函数）。如在Windows中用于建立线程的API函数CreateThread的第三个参数就是这个执行函数的指针。
在操作系统将进程分成多个线程后，这些线程可以在操作系统的管理下并发执行，从而大大提高了程序的运行效率。虽然线程的执行从宏观上看是多个线程同时执行，但实际上这只是操作系统的障眼法。由于一块CPU同时只能执行一条指令，因此，在拥有一块CPU的计算机上不可能同时执行两个任务。而操作系统为了能提高程序的运行效率，在一个线程空闲时会撤下这个线程，并且会让其他的线程来执行，这种方式叫做线程调度。我们之所以从表面上看是多个线程同时执行，是因为不同线程之间切换的时间非常短，而且在一般情况下切换非常频繁。假设我们有线程A和B.在运行时，可能是A执行了1毫秒后，切换到B后，B又执行了1毫秒，然后又切换到了A，A又执行1毫秒。由于1毫秒的时间对于普通人来说是很难感知的，因此，从表面看上去就象A和B同时执行一样，但实际上A和B是交替执行的。
二、线程给我们带来的好处
如果能合理地使用线程，将会减少开发和维护成本，甚至可以改善复杂应用程序的性能。如在GUI应用程序中，还以通过线程的异步特性来更好地处理事件；在应用服务器程序中可以通过建立多个线程来处理客户端的请求。线程甚至还可以简化虚拟机的实现，如Java虚拟机（JVM）的垃圾回收器（garbage collector）通常运行在一个或多个线程中。因此，使用线程将会从以下五个方面来改善我们的应用程序：
1. 充分利用CPU资源
现在世界上大多数计算机只有一块CPU.因此，充分利用CPU资源显得尤为重要。当执行单线程程序时，由于在程序发生阻塞时CPU可能会处于空闲状态。这将造成大量的计算资源的浪费。而在程序中使用多线程可以在某一个线程处于休眠或阻塞时，而CPU又恰好处于空闲状态时来运行其他的线程。这样CPU就很难有空闲的时候。因此，CPU资源就得到了充分地利用。
2. 简化编程模型
如果程序只完成一项任务，那只要写一个单线程的程序，并且按着执行这个任务的步骤编写代码即可。但要完成多项任务，如果还使用单线程的话，那就得在在程序中判断每项任务是否应该执行以及什么时候执行。如显示一个时钟的时、分、秒三个指针。使用单线程就得在循环中逐一判断这三个指针的转动时间和角度。如果使用三个线程分另来处理这三个指针的显示，那么对于每个线程来说就是指行一个单独的任务。这样有助于开发人员对程序的理解和维护。
3. 简化异步事件的处理
当一个服务器应用程序在接收不同的客户端连接时最简单地处理方法就是为每一个客户端连接建立一个线程。然后监听线程仍然负责监听来自客户端的请求。如果这种应用程序采用单线程来处理，当监听线程接收到一个客户端请求后，开始读取客户端发来的数据，在读完数据后，read方法处于阻塞状态，也就是说，这个线程将无法再监听客户端请求了。而要想在单线程中处理多个客户端请求，就必须使用非阻塞的Socket连接和异步I/O.但使用异步I/O方式比使用同步I/O更难以控制，也更容易出错。因此，使用多线程和同步I/O可以更容易地处理类似于多请求的异步事件。
4. 使GUI更有效率
使用单线程来处理GUI事件时，必须使用循环来对随时可能发生的GUI事件进行扫描，在循环内部除了扫描GUI事件外，还得来执行其他的程序代码。如果这些代码太长，那么GUI事件就会被“冻结”，直到这些代码被执行完为止。
在现代的GUI框架（如SWING、AWT和SWT）中都使用了一个单独的事件分派线程（event dispatch thread，EDT）来对GUI事件进行扫描。当我们按下一个按钮时，按钮的单击事件函数会在这个事件分派线程中被调用。由于EDT的任务只是对GUI事件进行扫描，因此，这种方式对事件的反映是非常快的。
5. 节约成本
提高程序的执行效率一般有三种方法：
（1）增加计算机的CPU个数。
（2）为一个程序启动多个进程
（3）在程序中使用多线程。
第一种方法是最容易做到的，但同时也是最昂贵的。这种方法不需要修改程序，从理论上说，任何程序都可以使用这种方法来提高执行效率。第二种方法虽然不用购买新的硬件，但这种方式不容易共享数据，如果这个程序要完成的任务需要必须要共享数据的话，这种方式就不太方便，而且启动多个进程会消耗大量的系统资源。第三种方法恰好弥补了第一种方法的缺点，而又继承了它们的优点。也就是说，既不需要购买CPU，也不会因为启太多的进程而占用大量的系统资源（在默认情况下，一个线程所占的内存空间要远比一个进程所占的内存空间小得多），并且多线程可以模拟多块CPU的运行方式，因此，使用多线程是提高程序执行效率的最廉价的方式。
三、Java的线程模型
由于Java是纯面向对象语言，因此，Java的线程模型也是面向对象的。Java通过Thread类将线程所必须的功能都封装了起来。要想建立一个线程，必须要有一个线程执行函数，这个线程执行函数对应Thread类的run方法。Thread类还有一个start方法，这个方法负责建立线程，相当于调用Windows的建立线程函数CreateThread.当调用start方法后，如果线程建立成功，并自动调用Thread类的run方法。因此，任何继承Thread的Java类都可以通过Thread类的start方法来建立线程。如果想运行自己的线程执行函数，那就要覆盖Thread类的run方法。
在Java的线程模型中除了Thread类，还有一个标识某个Java类是否可作为线程类的接口Runnable，这个接口只有一个抽象方法run，也就是Java线程模型的线程执行函数。因此，一个线程类的唯一标准就是这个类是否实现了Runnable接口的run方法，也就是说，拥有线程执行函数的类就是线程类。
从上面可以看出，在Java中建立线程有两种方法，一种是继承Thread类，另一种是实现Runnable接口，并通过Thread和实现Runnable的类来建立线程，其实这两种方法从本质上说是一种方法，即都是通过Thread类来建立线程，并运行run方法的。但它们的最大区别是通过继承Thread类来建立线程，虽然在实现起来更容易，但由于Java不支持多继承，因此，这个线程类如果继承了Thread，就不能再继承其他的类了，因此，Java线程模型提供了通过实现Runnable接口的方法来建立线程，这样线程类可以在必要的时候继承和业务有关的类，而不是Thread类。
Java多线程初学者指南（2）：用Thread类创建线程
在Java中创建线程有两种方法：使用Thread类和使用Runnable接口。在使用Runnable接口时需要建立一个Thread实例。因此，无论是通过Thread类还是Runnable接口建立线程，都必须建立Thread类或它的子类的实例。Thread类的构造方法被重载了八次，构造方法如下：
public Thread( ); |
Runnable target
实现了Runnable接口的类的实例。要注意的是Thread类也实现了Runnable接口，因此，从Thread类继承的类的实例也可以作为target传入这个构造方法。
String name
线程的名子。这个名子可以在建立Thread实例后通过Thread类的setName方法设置。如果不设置线程的名子，线程就使用默认的线程名：Thread-N，N是线程建立的顺序，是一个不重复的正整数。
ThreadGroup group
当前建立的线程所属的线程组。如果不指定线程组，所有的线程都被加到一个默认的线程组中。关于线程组的细节将在后面的章节详细讨论。
long stackSize
线程栈的大小，这个值一般是CPU页面的整数倍。如x86的页面大小是4KB.在x86平台下，默认的线程栈大小是12KB.
一个普通的Java类只要从Thread类继承，就可以成为一个线程类。并可通过Thread类的start方法来执行线程代码。虽然Thread类的子类可以直接实例化，但在子类中必须要覆盖Thread类的run方法才能真正运行线程的代码。下面的代码给出了一个使用Thread类建立线程的例子：
001 package mythread; |
上面的代码建立了两个线程：thread1和thread2.上述代码中的005至008行是Thread1类的run方法。当在014和015行调用start方法时，系统会自动调用run方法。在007行使用this.getName（）输出了当前线程的名字，由于在建立线程时并未指定线程名，因此，所输出的线程名是系统的默认值，也就是Thread-n的形式。在011行输出了主线程的线程名。
上面代码的运行结果如下：
main |
从上面的输出结果可以看出，第一行输出的main是主线程的名子。后面的Thread-1和Thread-2分别是thread1和thread2的输出结果。
注意：任何一个Java程序都必须有一个主线程。一般这个主线程的名子为main.只有在程序中建立另外的线程，才能算是真正的多线程程序。也就是说，多线程程序必须拥有一个以上的线程。
Thread类有一个重载构造方法可以设置线程名。除了使用构造方法在建立线程时设置线程名，还可以使用Thread类的setName方法修改线程名。要想通过Thread类的构造方法来设置线程名，必须在Thread的子类中使用Thread类的public Thread（String name）构造方法，因此，必须在Thread的子类中也添加一个用于传入线程名的构造方法。下面的代码给出了一个设置线程名的例子：
001 package mythread; |
在类中有两个构造方法：
第011行：public sample2_2（String who）
这个构造方法有一个参数：who.这个参数用来标识当前建立的线程。在这个构造方法中仍然调用Thread的默认构造方法public Thread（ ）。
第016行：public sample2_2（String who， String name）
这个构造方法中的who和第一个构造方法的who的含义一样，而name参数就是线程的名名。在这个构造方法中调用了Thread类的public Thread（String name）构造方法，也就是第018行的super（name）。
在main方法中建立了三个线程：thread1、thread2和thread3.其中thread1通过构造方法来设置线程名，thread2通过setName方法来修改线程名，thread3未设置线程名。
运行结果如下：
thread1:MyThread1 |
从上面的输出结果可以看出，thread1和thread2的线程名都已经修改了，而thread3的线程名仍然为默认值：Thread-2.thread3的线程名之所以不是Thread-1，而是Thread-2，这是因为在024行建立thread2时已经将Thread-1占用了，因此，在025行建立thread3时就将thread3的线程名设为Thread-2.然后在026行又将thread2的线程名修改为MyThread2.因此就会得到上面的输出结果。
注意：在调用start方法前后都可以使用setName设置线程名，但在调用start方法后使用setName修改线程名，会产生不确定性，也就是说可能在run方法执行完后才会执行setName.如果在run方法中要使用线程名，就会出现虽然调用了setName方法，但线程名却未修改的现象。
Thread类的start方法不能多次调用，如不能调用两次thread1.start（）方法。否则会抛出一个IllegalThreadStateException异常。
Java多线程初学者指南（3）：使用Runnable接口创建线程
实现Runnable接口的类必须使用Thread类的实例才能创建线程。通过Runnable接口创建线程分为两步：
1. 将实现Runnable接口的类实例化。
2. 建立一个Thread对象，并将第一步实例化后的对象作为参数传入Thread类的构造方法。
最后通过Thread类的start方法建立线程。
下面的代码演示了如何使用Runnable接口来创建线程：
package mythread; |
上面代码的运行结果如下：
MyThread1 |
Jav a多线程初学者指南（4）：线程的生命周期
与人有生老病死一样，线程也同样要经历开始（等待）、运行、挂起和停止四种不同的状态。这四种状态都可以通过Thread类中的方法进行控制。下面给出了Thread类中和这四种状态相关的方法。