第二十章(多线程)

一.线程的简介

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。

二.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 {

}

例20.1:让线程循环打印1~10的数字

package xian;public class ThreadTest extends Thread{public void run() {for(int i = 1;i<=10;i++) {System.out.println(i +"");}}public static void main(String[] args) {ThreadTest t = new ThreadTest();t.start();}
}

结果如下

2.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)

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20.2:让窗口中的图标动起来

package xian;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4if(count >= 200) {count = 10;}}}};t.start();//使用线程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();}}

结果如下

三.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。

四.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

1.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20.3:每0.1秒绘制一条随机颜色的线条

package xian;import java.awt.*;
import javax.swing.*;
import java.util.Random;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);//获取组件绘图上下文对象}catch(InterruptedException e) {//设置绘图颜色e.printStackTrace();//绘制直线并递增垂直坐标}Graphics graphics = getGraphics();graphics.setColor(getC());graphics.drawLine(x, y, 100, y++);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);}}

结果如下

2.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20.4:让进度条A等待进度条B

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AthreadB = 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}
}

结果如下

3.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20.5:单击按钮停止进度条滚动

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() {@Overridepublic 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);}
}

结果如下

五.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20.6:观察不同优先级的线程执行完毕顺序

 
public class PriorityTest implements Runnable{String name;public PriorityTest(String name) {this.name = name;}@Overridepublic 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();}}

4.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。

六.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。

1.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0try {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();}}

结果如下

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20.7:开发线程安全的火车售票系统

package xian;public class ThreadSafeTest implements Runnable{int num = 10;//设置当前票数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0try {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1}}}
}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();}
}

结果如下

该代码没有出现负数是因为，将共享资源放置在了同步块中，不管程序如何运行都不会出现负数。

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