Java進階05 多線程

多線程

多線程(multiple thread)是計算機實現多任務並行處理的一種方式。

在單線程情況下，計算機中存在一個控制權，並按照順序依次執行指令。單線程好像是一個只有一個隊長指揮的小隊，整個小隊同一個時間只能執行一個任務。

單線程

 

在多線程情境下，計算機中有多個控制權。多個控制權可以同時進行，每個控制權依次執行一系列的指令。多線程好像是一個小隊中的成員同時執行不同的任務。

可參考Linux多線程與同步，並對比Python多線程與同步

多線程

傳統意義上，多線程是由操作系統提供的功能。對於單核的CPU，硬件中只存在一個線程。在操作系統的控制下，CPU會在不同的任務間(線程間)切換，從而造成多任務齊頭並進的效果。這是單CPU分時複用機制下的多線程。現在，隨着新的硬件技術的發展，硬件本身開始提供多線程支持，比如多核和超線程技術。然而，硬件的多線程還是要接受操作系統的統一管理。在操作系統之上的多線程程序依然通用。

多個線程可以並存於同一個進程空間。在JVM的一個進程空間中，一個棧(stack)代表了方法調用的次序。對於多線程來說，進程空間中需要有多個棧，以記錄不同線程的調用次序。多個棧互不影響，但所有的線程將共享堆(heap)中的對象。

 

創建線程

Java中“一切皆對象”，線程也被封裝成一個對象。我們可以通過繼承Thread類來創建線程。線程類中的的run()方法包含了該線程應該執行的指令。我們在衍生類中覆蓋該方法，以便向線程說明要做的任務:

public class Test
{
    public static void main(String[] args)
    {
        NewThread thread1 = new NewThread();
        NewThread thread2 = new NewThread();
        thread1.start(); // start thread1
        thread2.start(); // start thread2
    }
}

/**
 * create new thread by inheriting Thread
 */
class NewThread extends Thread {

    private static int threadID = 0; // shared by all

    /**
     * constructor
     */
    public NewThread() {
        super("ID:" + (++threadID));
    }

    /**
     * convert object to string
     */
    public String toString() {
        return super.getName();
    }

    /**
     * what does the thread do?
     */
    public void run() {
        System.out.println(this);
    }
}

(++是Java中的累加運算符，即讓變量加1。這裏++出現在threadID之前，說明先將threadID加1，再對周邊的表達式求值

toString是Object根類的方法，我們通過覆蓋該方法，來將對象轉換成字符串。當我們打印該對象時，Java將自動調用該方法。)

 

可以看到，Thread基類的構建方法(super())可以接收一個字符串作爲參數。該字符串是該線程的名字，並使用getName()返回。

定義類之後，我們在main()方法中創建線程對象。每個線程對象爲一個線程。創建線程對象後，線程還沒有開始執行。

我們調用線程對象的start()方法來啓動線程。start()方法可以在構造方法中調用。這樣，我們一旦使用new創建線程對象，就立即執行。

 

Thread類還提供了下面常用方法:

join(Thread tr)   等待線程tr完成

setDaemon()       設置當前線程爲後臺daemon (進程結束不受daemon線程的影響)

Thread類官方文檔: http://docs.oracle.com/javase/6/docs/api/java/lang/Thread.html

 

Runnable

實現多線程的另一個方式是實施Runnable接口，並提供run()方法。實施接口的好處是容易實現多重繼承(multiple inheritance)。然而，由於內部類語法，繼承Thread創建線程可以實現類似的功能。我們在下面給出一個簡單的例子，而不深入:

 

public class Test
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Thread thread1 = new Thread(new NewThread(), "first");
        Thread thread2 = new Thread(new NewThread(), "second");
        thread1.start(); // start thread1
        thread2.start(); // start thread2
    }
}

/**
 * create new thread by implementing Runnable
 */
class NewThread implements Runnable {
    /**
     * convert object to string
     */
    public String toString() {
        return Thread.currentThread().getName();
    }

    /**
     * what does the thread do?
     */
    public void run() {
        System.out.println(this);
    }
}

 

synchronized

多任務編程的難點在於多任務共享資源。對於同一個進程空間中的多個線程來說，它們都共享堆中的對象。某個線程對對象的操作，將影響到其它的線程。

在多線程編程中，要盡力避免競爭條件(racing condition)，即運行結果依賴於不同線程執行的先後。線程是併發執行的，無法確定線程的先後，所以我們的程序中不應該出現競爭條件。

然而，當多任務共享資源時，就很容易造成競爭條件。我們需要將共享資源，並造成競爭條件的多個線程線性化執行，即同一時間只允許一個線程執行。

(可更多參考Linux多線程與同步)

 

下面是一個售票程序。3個售票亭(Booth)共同售賣100張票(Reservoir)。每個售票亭要先判斷是否有餘票，然後再賣出一張票。如果只剩下一張票，在一個售票亭的判斷和售出兩個動作之間，另一個售票亭賣出該票，那麼第一個售票亭(由於已經執行過判斷)依然會齒形賣出，造成票的超賣。爲了解決該問題，判斷和售出兩個動作之間不能有“空隙”。也就是說，在一個線程完成了這兩個動作之後，纔能有另一個線程執行。

在Java中，我們將共享的資源置於一個對象中，比如下面r(Reservoir)對象。它包含了總共的票數；將可能造成競爭條件的，針對共享資源的操作，放在synchronized(同步)方法中，比如下面的sellTicket()。synchronized是方法的修飾符。在Java中，同一對象的synchronized方法只能同時被一個線程調用。其他線程必須等待該線程調用結束，(餘下的線程之一)才能運行。這樣，我們就排除了競爭條件的可能。

在main()方法中，我們將共享的資源(r對象)傳遞給多個線程:

按 Ctrl+C 複製代碼

public class Test
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Reservoir r = new Reservoir(100);
        Booth b1 = new Booth(r);
        Booth b2 = new Booth(r);
        Booth b3 = new Booth(r);
    }
}


/**
 * contain shared resource
 */
class Reservoir {
    private int total;


    public Reservoir(int t) 
    {
        this.total = t;
    }


    /**
     * Thread safe method
     * serialized access to Booth.total
     */
    public synchronized boolean sellTicket() 
    {
        if(this.total > 0) {
            this.total = this.total - 1;
            return true; // successfully sell one
        }
        else {
            return false; // no more tickets
        }
    }
}


/**
 * create new thread by inheriting Thread
 */
class Booth extends Thread {
    private static int threadID = 0; // owned by Class object


    private Reservoir release;      // sell this reservoir 
    private int count = 0;          // owned by this thread object
    /**
     * constructor
     */
    public Booth(Reservoir r) {
        super("ID:" + (++threadID));
        this.release = r;          // all threads share the same reservoir
        this.start();
    }


    /**
     * convert object to string
     */
    public String toString() {
        return super.getName();
    }


    /**
     * what does the thread do?
     */
    public void run() {
        while(true) {
            if(this.release.sellTicket()) {
                this.count = this.count + 1;
                System.out.println(this.getName() + ": sell 1");
                try {
                    sleep((int) Math.random()*100);   // random intervals
                }
                catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            else {
                break;
            }
        }
        System.out.println(this.getName() + " I sold:" + count);
    }
}

按 Ctrl+C 複製代碼

(Math.random()用於產生隨機數)

 

Java的每個對象都自動包含有一個用於支持同步的計數器，記錄synchronized方法的調用次數。線程獲得該計數器，計數器加1，並執行synchronized方法。如果方法內部進一步調用了該對象的其他synchronized方法，計數器加1。當synchronized方法調用結束並退出時，計數器減1。其他線程如果也調用了同一對象的synchronized方法，必須等待該計數器變爲0，才能鎖定該計數器，開始執行。Java中的類同樣也是對象(Class類對象)。Class類對象也包含有計數器，用於同步。

 

關鍵代碼

上面，我們利用synchronized修飾符同步了整個方法。我們可以同步部分代碼，而不是整個方法。這樣的代碼被稱爲關鍵代碼(critical section)。我們使用下面的語法:

synchronized (syncObj) {

  ...;

}

花括號中包含的是想要同步的代碼，syncObj是任意對象。我們將使用syncObj對象中的計數器，來同步花括號中的代碼。