第二十章 多线程
Windows操作系统是多任务操作系统，它以进程为单位。一个进程是一个包含有自身地址的程序，每个独立执行的程序都称为进程。也就是说每个正在执行的程序都是一个进程。系统可以分配给每一个进程有一段有限的使用CPU的时间（也可以称为CPU时间片），CPU在这段时间中执行某个进程，然后下一个时间片又跳至另一个进程中去执行。由于CPU转换比较快，所以使得每个进程好像是同时执行一样。
下图表明了Windows操作系统的执行模式
创建线程
继承Thread类
Thread 类是java.lang包中的一个类，从这个类中实例化的对象代表线程，程序员启动一个新线程需要建立Thread实例。Thread类中常用的两个构造方法如下：
- public Thread()：创建一个新的线程对象。
- public Thread(String threadName)：创建一个名称为threadName的线程对象。
继承Thread类创建一个新的线程的语法如下：
public class ThreadTest extends Threadf {
}
完成线程真正功能的代码放在类的run0方法中，当一个类继承Thread类后，就可以在该类中覆盖run0方法，将实现该线程功能的代码写入runO方法中，然后调用 Thread类中的start0方法执行线程也就是调用run0方法。
Thread 对象需要一个任务来执行，任务是指线程在启动时执行的工作，该工作的功能代码被写在run0方法中。run0方法必须使用以下语法格式：
public void run() {
}
当执行一个线程程序时，就自动产生一个线程，主方法正是在这个线程上运行的。当不再启动其他线程时，该程序就为单线程程序，如本章以前的程序都是单线程程序。主方法线程启动由Java 虚拟机负责，程序员负责启动自己的线程。代码如下:
public static void main(String[] args){
new ThreadTest().start();
}
例题20.1
public class ThreadTest extends Thread{
public void run() {
for (int i = 1;i<=10;i++) {
System.out.print(i+"");
}
}
public static void main(String[] args) {
ThreadTest t= new ThreadTest();
t.start();
}
}//例题20.1
实现Runnable 接口
实现Runnable接口的语法如下：
public class Thread extends Object implements Runnable
实现Runnable 接口的程序会创建一个Thread对象，并将 Runnable 对象与Thread对象相关联。Thread类中有以下两个构造方法：
- public Thread(Runnable target)
- public Thread(Runnable target,String name)
这两个构造方法的参数中都存在Runnable 实例，使用以上构造方法就可以将Runnable实例与Thread实例相关联。
使用Runnable 接口启动新的线程的步骤如下：
- 建立Runnable对象
- 使用参数为Runnable对象的构造方法创建Thread实例
- 调用startO方法启动线程
通过Runnable 接口创建线程时，程序员首先需要编写一个实现Runnable接口的类，然后实例化该类的对象，这样就建立了Runnable对象；接下来使用相应的构造方法创建Thread 实例；最后使用该实例调用Thread类中的startO方法启动线程。
图20.2表明了实现Runnable接口创建线程的流程。
例题20.2
import java.awt.Container;
import javax.swing.*;
public class SwingAndThread extends JFrame{
int count = 0; //图标横坐标
public SwingAndThread() {
setBounds(300,200,250,100); //绝对定位窗体大小与位置
Container container = getContentPane(); //主容器
container.setLayout(null); //使窗体不使用任何布局管理器
Icon icon = new ImageIcon("src/1.gif"); //图标对象
JLabel jl =new JLabel(icon); //显示图标的标签
jl.setBounds(10,10,200,50); //设置标签的位置与大小
Thread t = new Thread() { //定义匿名线程对象
public void run() {
while (true) {
jl.setBounds(count,10,200,50); //将标签的横坐标用变量表示
try {
Thread.sleep(500); //使线程休眠500毫秒
}catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
count +=4; //使横坐标每次增加4
if(count>=200) {
count = 10; //当图标到达标签的最右时，使其回到标签最左边
}
}
}
};
t.start(); //启动线程
container.add(jl); //将标签添加到容器中
setVisible(true); //使窗体可见
setDefaultCloseOperation(EXIT_ON_CLOSE); //设置窗体的关闭方式
}
public static void main(String[] args) {
new SwingAndThread();
}
}//例题20.2
线程的生命周期
下图描述了线程生命周期中的各种状态
虽然多线程看起来像同时执行，但事实上在同一时间点上只有一个线程被执行，只是线程之间切换较快，所以才会使人产生线程是同时进行的假象。在Windows操作系统中，系统会为每个线程分配一小段CPU时间片，一旦 CPU时间片结束就会将当前线程换为下一个线程，即使该线程没有结束。要使线程处于就绪状态，有以下几种方法：
- 调用sleep()方法
- 调用wait()方法。
- 等待输入/输出完成。
当线程处于就绪状态后，可以用以下几种方法使线程再次进入运行状态：
- 线程的休眠时间结束
- 输入\输出结束
操作线程的方法
操作线程有很多方法，这些方法可以使线程从某一种状态过渡到另一种状态
线程的休眠
一种能控制线程行为的方法是调用sleep()方法，sleep()方法需要一个参数用于指定该线程休眠的时间，该时间以毫秒为单位。sleep()方法语法如下：
try{
Thread.sleep(2000);
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace(();
}
例题20.3
import java.awt.*;
import java.util.Random;
import javax.swing.*;
public class SleepMethodTest extends JFrame{
private static Color[] color = {Color.BLACK,Color.BLUE,Color.CYAN,Color.GREEN,
Color.ORANGE,Color.YELLOW,Color.RED,Color.PINK,Color.LIGHT_GRAY}; //定义颜色数组
private static final Random rand = new Random(); //创建随机对象
private static Color getC() { //获取随机颜色值的方法
return color[rand.nextInt(color.length)];
}
public SleepMethodTest() {
Thread t = new Thread(new Runnable() { //创建匿名线程对象
int x = 30; //定义初始坐标
int y = 50;
public void run() {
while(true){ //无限循环
try {
Thread.sleep(100); //线程休眠0.1秒
}catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Graphics graphics = getGraphics(); //获取组件绘图上下文对象
graphics.setColor(getC()); //设置绘图颜色
graphics.drawLine(x, y, 100, y++); //绘制直线并递增垂直坐标
if(y>=80) {
y=50;
}
}
}
});
t.start(); //启动线程
}
public static void main(String[] args) {
init(new SleepMethodTest(),100,100);
}
public static void init(JFrame frame,int width,int height) { //初始化程序界面的方法
frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
frame.setSize(width, height);
frame.setVisible(true);
}
}//例题20.3
线程的加入
当某一个线程使用join()方法加入另外一个线程时，另一个线程会等待该线程执行完毕后再继续执行
例题20.4
import java.awt.BorderLayout;
import javax.swing.*;
public class JionTest extends JFrame{
private Thread threadA; //定义两个线程
private Thread threadB;
private JProgressBar progressBar = new JProgressBar(); //定义两个进度条组件
private JProgressBar progressBar2 = new JProgressBar();
public static void main(String[] args) {
JionTest test = new JionTest();
test.setVisible(true);
}
private JionTest() {
setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
setBounds(200,200,200,100);
getContentPane().add(progressBar,BorderLayout.NORTH); //将进度条设置在窗体最北面
getContentPane().add(progressBar2,BorderLayout.SOUTH); //将进度条设置在窗体最南面
progressBar.setStringPainted(true); //设置进度条显示数字字符
progressBar2.setStringPainted(true);
threadA = new Thread(new Runnable() { //使匿名内部类形式初始化Thread实例
int count = 0;
public void run() { //重写run（）方法
while (true) {
progressBar.setValue(++count); //设置进度条的当前值
try {
Thread.sleep(100); //使线程A休眠100毫秒
threadB.join(); //使线程B调用join（）方法
}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
});
threadA.start(); //启动线程A
threadB = new Thread(new Runnable() {
int count = 0;
public void run() {
while (true) {
progressBar2.setValue(++count); //设置进度条的当前值
try {
Thread.sleep(100); //使线程B休眠100毫秒
threadB.join();
}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if(count==100) //当count变量增长为100时
break; //跳出循环
}
}
});
threadB.start(); //启动线程B
}
}//例题20.4
线程的中断
以往有的时候会使用stop()方法停止线程，但当前版本的JDK早己废除了stop()方法，不建议使用stop()方法来停止一个线程的运行。现在提倡在run()方法中使用无限循环的形式，然后使用一个布尔型标记控制循环的停止。
如果线程是因为使用了slcep()或wait()方法进入了就绪状态，可以使用Thread 类中 interrupt()方法使线程离开run()方法，同时结束线程，但程序会抛出InterruptedException异常，用户可以在处理该异常时完成线程的中断业务处理，如终止while循环。
下面的实例演示了某个线程使用interrupted()方法，同时程序抛出了InterruptedException异常，在异常处理时结束了while 循环。在项目中，经常在这里执行关闭数据库连接和关闭Socket连接等操作。
例题20.5
import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.event.*;
import javax.swing.*;
public class InterruptedSwing extends JFrame{
private InterruptedSwing() {
JProgressBar progressBar = new JProgressBar(); //创建进度条
getContentPane().add(progressBar,BorderLayout.NORTH); //讲进度条放置在窗体合适位置
JButton button= new JButton("停止");
getContentPane().add(button,BorderLayout.SOUTH);
progressBar.setStringPainted(true); //设置进度条上显示数字
Thread t = new Thread(new Runnable() {
int count = 0;
public void run() {
while (true) {
progressBar.setValue(++count); //设置进度条的当前值
try {
Thread.sleep(100); //使线程A休眠100毫秒
}catch(InterruptedException e) { //捕捉InterruptedException异常
System.out.println("当前线程序被中断");
break;
}
}
}
});
button.addActionListener(new ActionListener() {
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
t.interrupt(); //中断线程
}
});
t.start(); //启动线程
}
public static void init(JFrame frame, int width, int height) {
frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
frame.setSize(width, height);
frame.setVisible(true);
}
public static void main(String[] args){
init(new InterruptedSwing(), 100, 100);
}
}//例题20.5
线程的礼让
Thread 类中提供了一种礼让方法，使用yield()方法表示，它只是给当前正处于运行状态的线程个提醒，告知它可以将资源礼让给其他线程，但这仅是一种暗示，没有任何一种机制保证当前线程会将资源礼让。
yield()方法使具有同样优先级的线程有进入可执行状态的机会，在当前线程放弃执行权时会再度回到就绪状体。对于支持多任务的操作系统来说，不需要调用yield()方法，因为操作系统会为线程自动分配CPU时间片来执行。
线程的优先级
每个线程都具有各自的优先级，线程的优先级可以表明在程序中该线程的重要性，如果有很多线程处于就绪状态，系统会根据优先级来决定首先使哪个线程进入运行状态。但这并不意味着低优先级的线程得不到运行，而只是它运行的概率比较小，如垃圾回收线程的优先级就较低。
Thread类中包含的成员变量代表了线程的某些优先级，如Thread.MIN_PRIORITY（常数1）、Thread.MAXPRIORITY（常数10)、Thread.NORM PRIORITY（常数5）。其中，每个线程的优先级都在 Thread.MIN_PRIORITY~Thread.MAX_PRIORITY，在默认情况下其优先级都是Thread.NORM PRIORITY。每个新产生的线程都继承了父线程的优先级。
在多任务操作系统中，每个线程都会得到一小段CPU时间片运行，在时间结束时，将轮换另一个线程进入运行状态，这时系统会选择与当前线程优先级相同的线程予以运行。系统始终选择就绪状态下优先级较高的线程进入运行状态。处于各个优先级状态下的线程的运行顺序如图20.8所示。
在图20.8中，优先级为5的线程A首先得到CPU时间片；当该时间结束后，轮换到与线程A相同优先级的线程B；当线程 B的运行时间结束后，会继续轮换到线程A，直到线程A与线程B都执行完毕，才会轮换到线程C；当线程C结束后，才会轮换到线程D。
线程的优先级可以使用 setPriority()方法调整，如果使用该方法设置的优先级不在1~10，将产生IllegalArgumentException异常。
例题20.6
public class PriorityTest implements Runnable{
String name;
public PriorityTest(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
String tmp ="";
for (int i = 0;i<50000;i++) {
tmp+=i; //完成5万次字符串拼接
}
System.out.println(name+"线程完成任务");
}
public static void main(String[] args) {
Thread a = new Thread(new PriorityTest("A"));
a.setPriority(1); //A线程优先级最小
Thread b = new Thread(new PriorityTest("B"));
b.setPriority(3);
Thread c = new Thread(new PriorityTest("C"));
c.setPriority(7);
Thread d = new Thread(new PriorityTest("D"));
d.setPriority(10); //D线程优先级最大
a.start();
b.start();
c.start();
d.start();
}
}//例题20.6
线程同步
在单线程程序中,每次只能做一件事情，后面的事情需要等待前面的事情完成后才可以进行，但是如果使用多线程程序，就会发生两个线程抢占资源的问题，如两个人同时说话、两个人同时过同个独木桥等。所以，在多线程编程中需要防止这些资源访问的冲突。Java 提供了线程同步的机制来防止资源访问的冲突。
线程安全
例如，在项目中创建ThreadSafeTest类，该类实现了Rummable接口，在未考虑到线程安全问题的基础上，模拟火车站售票系统的功能的代码如下：
public class ThreadSafeTest implements Runnable{
int num = 10; //设置当前总票数
public void run() {
while(true) { //设置无限循环
if(num>0) { //判断当前票数是否大于0
try {
Thread.sleep(100); //使当前线程休眠100秒
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---票数"+num--); //票数减一
}
}
}
public static void main(String[]args) {
ThreadSafeTest t = new ThreadSafeTest(); //实例化类对象
Thread tA = new Thread(t,"线程一"); //以该类对象分别实例化4个线程
Thread tB= new Thread(t,"线程二");
Thread tC= new Thread(t,"线程三");
Thread tD= new Thread(t,"线程四");
tA.start(); //分别启动线程
tB.start();
tC.start();
tD.start();
}
}
线程同步机制
1.同步块
Java 中提供了同步机制，可以有效地防止资源冲突。同步机制使用synchronized关键字，使用该关键字包含的代码块称为同步块，也称为临界区，语法如下:
synchronized(Object) {
}
通常将共享资源的操作放置在 synchronized 定义的区域内，这样当其他线程获取到这个锁时，就必须等待锁被释放后才可以进入该区域。Object 为任意一个对象，每个对象都存在一个标志位，并具有两个值，分别为0和1。一个线程运行到同步块时首先检查该对象的标志位，如果为0状态，表明此同步块内存在其他线程，这时当期线程处于就绪状态，直到处于同步块中的线程执行完同步块中的代码后，这时该对象的标识位设置为1，当期线程才能开始执行同步块中的代码，并将Object对象的标识位设置为0，以防止其他线程执行同步块中的代码。
例题20.7
public class SynchronizedTest implements Runnable{
int num = 10; //设置当前总票数
public void run() {
while(true) { //设置无限循环
synchronized(this) {//设置同步代码块
if(num>0) { //判断当前票数是否大于0
try {
Thread.sleep(100); //使当前线程休眠100毫秒
}
catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"----票数"+num--);//票数减一
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedTest t = new SynchronizedTest(); //实例化类对象
Thread tA = new Thread(t,"线程一"); //以该类对象分别实例化4个线程
Thread tB = new Thread(t,"线程二");
Thread tC = new Thread(t,"线程三");
Thread tD = new Thread(t,"线程四");
tA.start(); //分别启动线程
tB.start();
tC.start();
tD.start();
}
}
2.同步方法
同步方法就是在方法前面用synchronized关键字修饰的方法，其语法如下：
synchronized void f(){}
当某个对象调用了同步方法时，该对象上的其他同步方法必须等待该同步方法执行完毕后才能被
执行。必须将每个能访问共享资源的方法修饰为synchronized，否则就会出错。
修改例题20.7的代码，将共享资源操作放置在用同一个同步方法中
int num = 10; //设置当前总票数
public synchronized void doit() { //定义同步方法
if(num>0){
try{
Thread.sleep(10);
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---票数"+num--);
}
}
public void run(){
while(true){
doit();
}
}//再run()方法中调用该同步方法