Java 程序中的多线程

为什么要使用多线程？
下面的这个简单的 Java 程序完成四项不相关的任务。这样的程序有单个控制线程，控制在这四个任务之间线性地移动。此外，因为所需的资源 ― 打印机、磁盘、数据库和显示屏 – 由于硬件和软件的限制都有内在的潜伏时间，所以每项任务都包含明显的等待时间。因此，程序在访问数据库之前必须等待打印机完成打印文件的任务，等等。如果您正在等待程序的完成，则这是对计算资源和您的时间的一种拙劣使用。改进此程序的一种方法是使它成为多线程的。

四项不相关的任务

class myclass { static public void main(String args[]) { print_a_file(); manipulate_another_file(); access_database(); draw_picture_on_screen(); } }

在本例中，每项任务在开始之前必须等待前一项任务完成，即使所涉及的任务毫不相关也是这样。但是，在现实生活中，我们经常使用多线程模型。我们在处理某些任务的同时也可以让孩子、配偶和父母完成别的任务。例如，我在写信的同时可能打发我的儿子去邮局买邮票。用软件术语来说，这称为多个控制（或执行）线程。

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线程是什么？

一个程序或进程能够包含多个线程，这些线程可以根据程序的代码执行相应的指令。多线程看上去似乎在并行执行它们各自的工作，就像在一台计算机上运行着多个处理机一样。在多处理机计算机上实现多线程时，它们确实 可以并行工作。和进程不同的是，线程共享地址空间。也就是说，多个线程能够读写相同的变量或数据结构。

编写多线程程序时，你必须注意每个线程是否干扰了其他线程的工作。可以将程序看作一个办公室，如果不需要共享办公室资源或与其他人交流，所有职员就会独立并行地工作。某个职员若要和其他人交谈，当且仅当该职员在“听”且他们两说同样的语言。此外，只有在复印机空闲且处于可用状态（没有仅完成一半的复印工作，没有纸张阻塞等问题）时，职员才能够使用它。在这篇文章中你将看到，在 Java 程序中互相协作的线程就好像是在一个组织良好的机构中工作的职员。

在多线程程序中，线程可以从准备就绪队列中得到，并在可获得的系统 CPU 上运行。操作系统可以将线程从处理器移到准备就绪队列或阻塞队列中，这种情况可以认为是处理器“挂起”了该线程。同样，Java 虚拟机 (JVM) 也可以控制线程的移动――在协作或抢先模型中――从准备就绪队列中将进程移到处理器中，于是该线程就可以开始执行它的程序代码。

协作式线程 模型允许线程自己决定什么时候放弃处理器来等待其他的线程。程序开发员可以精确地决定某个线程何时会被其他线程挂起，允许它们与对方有效地合作。缺点在于某些恶意或是写得不好的线程会消耗所有可获得的 CPU 时间，导致其他线程“饥饿”。

在 抢占式线程 模型中，操作系统可以在任何时候打断线程。通常会在它运行了一段时间（就是所谓的一个时间片）后才打断它。这样的结果自然是没有线程能够不公平地长时间霸占处理器。然而，随时可能打断线程就会给程序开发员带来其他麻烦。同样使用办公室的例子，假设某个职员抢在另一人前使用复印机，但打印工作在未完成的时候离开了，另一人接着使用复印机时，该复印机上可能就还有先前那名职员留下来的资料。抢占式线程模型要求线程正确共享资源，协作式模型却要求线程共享执行时间。由于 JVM 规范并没有特别规定线程模型，Java 开发员必须编写可在两种模型上正确运行的程序。在了解线程以及线程间通讯的一些方面之后，我们可以看到如何为这两种模型设计程序。

使用 Java 编程语言实现线程(略) 关于Thread Runnable

Java 编程语言中的高级多线程支持

线程组

线程是被个别创建的，但可以将它们归类到 线程组中，以便于调试和监视。只能在创建线程的同时将它与一个线程组相关联。在使用大量线程的程序中，使用线程组组织线程可能很有帮助。可以将它们看作是计算机上的目录和文件结构。

线程间发信

当线程在继续执行前需要等待一个条件时，仅有 synchronized 关键字是不够的。虽然 synchronized 关键字阻止并发更新一个对象，但它没有实现 线程间发信 。Object 类为此提供了三个函数：wait()、notify() 和 notifyAll()。以全球气候预测程序为例。这些程序通过将地球分为许多单元，在每个循环中，每个单元的计算都是隔离进行的，直到这些值趋于稳定，然后相邻单元之间就会交换一些数据。所以，从本质上讲，在每个循环中各个线程都必须等待所有线程完成各自的任务以后才能进入下一个循环。这个模型称为 屏蔽同步，下例说明了这个模型：

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();
        }
    }
}

将 CPU 让给另一个线程

当线程放弃某个稀有的资源（如数据库连接或网络端口）时，它可能调用 yield() 函数临时降低自己的优先级，以便某个其他线程能够运行。

守护线程

有两类线程：用户线程和守护线程。 用户线程是那些完成有用工作的线程。 守护线程 是那些仅提供辅助功能的线程。Thread 类提供了 setDaemon() 函数。Java 程序将运行到所有用户线程终止，然后它将破坏所有的守护线程。在 Java 虚拟机 (JVM) 中，即使在 main 结束以后，如果另一个用户线程仍在运行，则程序仍然可以继续运行

调试线程化的程序

在线程化的程序中，可能发生的某些常见而讨厌的情况是死锁、活锁、内存损坏和资源耗尽。

死锁

死锁可能是多线程程序最常见的问题。当一个线程需要一个资源而另一个线程持有该资源的锁时，就会发生死锁。这种情况通常很难检测。但是，解决方案却相当好：在所有的线程中按相同的次序获取所有资源锁。例如，如果有四个资源 ―A、B、C 和 D ― 并且一个线程可能要获取四个资源中任何一个资源的锁，则请确保在获取对 B 的锁之前首先获取对 A 的锁，依此类推。如果“线程 1”希望获取对 B 和 C 的锁，而“线程 2”获取了 A、C 和 D 的锁，则这一技术可能导致阻塞，但它永远不会在这四个锁上造成死锁。

活锁

当一个线程忙于接受新任务以致它永远没有机会完成任何任务时，就会发生活锁。这个线程最终将超出缓冲区并导致程序崩溃。试想一个秘书需要录入一封信，但她一直在忙于接电话，所以这封信永远不会被录入。

内存损坏

如果明智地使用 synchronized 关键字，则完全可以避免内存错误这种气死人的问题。

资源耗尽

某些系统资源是有限的，如文件描述符。多线程程序可能耗尽资源，因为每个线程都可能希望有一个这样的资源。如果线程数相当大，或者某个资源的侯选线程数远远超过了可用的资源数，则最好使用 资源池。一个最好的示例是数据库连接池。只要线程需要使用一个数据库连接，它就从池中取出一个，使用以后再将它返回池中。资源池也称为 资源库。

调试大量的线程

有时一个程序因为有大量的线程在运行而极难调试。在这种情况下，下面的这个类可能会派上用场：

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" + t.getPriority()
                + "\t" + t.isAlive() + "\t" + t.isDaemon());
            }
        }
    }
}

限制线程优先级和调度

Java 线程模型涉及可以动态更改的线程优先级。本质上，线程的优先级是从 1 到 10 之间的一个数字，数字越大表明任务越紧急。JVM 标准首先调用优先级较高的线程，然后才调用优先级较低的线程。但是，该标准对具有相同优先级的线程的处理是随机的。如何处理这些线程取决于基层的操作系统策略。在某些情况下，优先级相同的线程分时运行；在另一些情况下，线程将一直运行到结束。请记住，Java 支持 10 个优先级，基层操作系统支持的优先级可能要少得多，这样会造成一些混乱。因此，只能将优先级作为一种很粗略的工具使用。最后的控制可以通过明智地使用 yield() 函数来完成。通常情况下，请不要依靠线程优先级来控制线程的状态。

小结
本文说明了在 Java 程序中如何使用线程。像是否 应该使用线程这样的更重要的问题在很大程序上取决于手头的应用程序。决定是否在应用程序中使用多线程的一种方法是，估计可以并行运行的代码量。并记住以下几点：

• 使用多线程不会增加 CPU 的能力。但是如果使用 JVM 的本地线程实现，则不同的线程可以在不同的处理器上同时运行（在多 CPU 的机器中），从而使多 CPU 机器得到充分利用。
• 如果应用程序是计算密集型的，并受 CPU 功能的制约，则只有多 CPU 机器能够从更多的线程中受益。
• 当应用程序必须等待缓慢的资源（如网络连接或数据库连接）时，或者当应用程序是非交互式的时，多线程通常是有利的。
• 基于 Internet 的软件有必要是多线程的；否则，用户将感觉应用程序反映迟钝。例如，当开发要支持大量客户机的服务器时，多线程可以使编程较为容易。在这种情况下，每个线程可以为不同的客户或客户组服务，从而缩短了响应时间。

编写多线程的 Java 应用程序

详见：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-thread/

名词解决：

• Thread 类
• Runnable 接口
• synchronized 线程锁
• sleep() 是线程类（Thread）的方法，导致此线程暂停执行指定时间，给执行机会给其他线程，但是监控状态依然保持，到时后会自动恢复。调用 sleep 不会释放对象锁。
• wait() 是 Object 类的方法，对此对象调用 wait 方法导致本线程放弃对象锁，进入等待
  此对象的等待锁定池，只有针对此对象发出 notify 方法（或 notifyAll）后本线程才 进
  入对象锁定池准备获得对象锁进入运行状态。
• notify()
• notifyAll()

• yield()

• 死锁

• 活锁
• 内存损坏

• 资源耗尽

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