作者：jeru
日期：2001-3-7 11:20:12
Java 線 程 的 討 論 與 應(yīng) 用  
龍 士 工 
  

一、 為 什 么 要 研 究 和 使 用 線 程 
一 般 來(lái) 說(shuō)， 計(jì) 算 機(jī) 正 在 執(zhí) 行 的 程 序 稱 作 進(jìn) 程（process)， 進(jìn) 程 有 不 同 的 地 址 空 間 并 且 是 在 同 一 系 統(tǒng) 上 運(yùn) 行 的 不 同 程 序， 如 Ｗ Ｏ Ｒ Ｄ 和Excel， 進(jìn) 程 間 的 通 訊 是 很 費(fèi) 時(shí) 而 且 有 限 的。 上 下 文 切 換、 改 變 運(yùn) 行 的 進(jìn) 程 也 是 非 常 復(fù) 雜 的。 進(jìn) 程 間 通 訊 復(fù) 雜， 可 能 需 要 管 道、 消 息 隊(duì) 列、 共 享 內(nèi) 存(sharedmemory) 或 信 號(hào) 處 理 來(lái) 保 證 進(jìn) 程 間 的 通 訊。 盡 管 許 多 程 序 都 在 運(yùn) 行， 但 一 次 只 能 與 一 個(gè) 程 序 打 交 道。  
線 程（thread) 是 指 進(jìn) 程 中 單 一 順 序 的 控 制 流。 又 稱 為 輕 量 級(jí) 進(jìn) 程。 線 程 則 共 享 相 同 的 地 址 空 間 并 共 同 構(gòu) 成 一 個(gè) 大 的 進(jìn) 程。 線 程 間 的 通 訊 是 非 常 簡(jiǎn) 單 而 有 效 的， 上 下 文 切 換 非 常 快 并 且 是 整 個(gè) 大 程 序 的 一 部 分 切 換。 線 程 僅 是 過(guò) 程 調(diào) 用， 它 們 彼 此 獨(dú) 立 執(zhí) 行， 線 程 使 得 在 一 個(gè) 應(yīng) 用 程 序 中， 程 序 的 編 寫 更 加 自 由 和 豐 富。 線 程 的 興 趣 在 于， 一 個(gè) 程 序 中 同 時(shí) 使 用 多 個(gè) 線 程 來(lái) 完 成 不 同 的 任 務(wù)。 因 此 如 果 很 好 地 利 用 線 程， 可 以 大 大 簡(jiǎn) 化 應(yīng) 用 程 序 設(shè) 計(jì)。 多 線 程 可 以 增 進(jìn) 程 序 的 交 互 性， 提 供 更 好 的 能 力 和 功 能、 更 好 的GUI 和 更 好 的 服 務(wù) 器 功 能。 給 二 個(gè) 例 子 說(shuō) 明 如 下：  

例 一： 利 用 多 線 程 并 行 機(jī) 制 可 以 很 好 地 解 決 交 互 式 網(wǎng) 絡(luò) 程 序 中 的 許 多 問(wèn) 題， 如： 大 量 的 網(wǎng) 絡(luò) 文 件 資 源 的 讀 寫、 用 戶 輸 入 響 應(yīng)、 動(dòng) 畫 顯 示 等 問(wèn) 題 不 需 要 Ｃ Ｐ Ｕ 的 多 少 時(shí) 間； 而 耗 時(shí) 的 復(fù) 雜 計(jì) 算 通 常 并 不 需 要 立 即 響 應(yīng)， 所 以 無(wú) 需 將 Ｃ Ｐ Ｕ 全 給 它。 例 如， 從 一 個(gè) 慢 速 的 網(wǎng) 絡(luò) 上 讀 取 一 數(shù) 據(jù) 流 也 許 要 １ 分 鐘 時(shí) 間， 但 需 要 Ｃ Ｐ Ｕ 參 與 傳 輸 數(shù) 據(jù) 的 時(shí) 間 則 非 常 短； 響 應(yīng) 用 戶 的 輸 入 如 擊 鍵， 就 算 最 快 的 輸 入 員， １ 秒 鐘 擊 鍵 １ ０ 次， 也 不 需 要 Ｃ Ｐ Ｕ 的 多 少 時(shí) 間。 動(dòng) 畫 程 序 比 較 耗 時(shí)， 一 幅 畫 在 １ 秒 內(nèi) 要 重 繪 ５ － １ ０ 次， 但 Ｃ Ｐ Ｕ 在 大 部 分 時(shí) 間 仍 處 于 空 閑 狀 態(tài)。 在 傳 統(tǒng) 的 單 線 程 環(huán) 境 下 的 問(wèn) 題 是 用 戶 必 須 等 待 每 個(gè) 任 務(wù) 完 成 后 才 能 進(jìn) 行 下 一 個(gè) 任 務(wù)。 即 使 Ｃ Ｐ Ｕ 大 部 分 時(shí) 間 空 閑， 也 只 能 按 步 就 班 地 工 作。 多 線 程 可 以 很 好 地 解 決 這 些 問(wèn) 題 避 免 引 起 用 戶 的 等 待。 如： 耗 時(shí) 的 復(fù) 雜 計(jì) 算 應(yīng) 用 就 可 劃 分 成 兩 個(gè) 控 制 線 程: 一 個(gè) 處 理GUI 的 用 戶 事 件, 另 一 個(gè) 進(jìn) 行 后 臺(tái) 計(jì) 算。  

例 二： 如 并 發(fā) 服 務(wù) 器， 它 面 向 不 定 長(zhǎng) 時(shí) 間 內(nèi) 處 理 完 的 請(qǐng) 求, 對(duì) 每 個(gè) 請(qǐng) 求 由 服 務(wù) 器 的 線 程 處 理。 傳 統(tǒng) 的 并 發(fā) 服 務(wù) 器 往 往 是 基 于 多 進(jìn) 程 機(jī) 制 的, 每 個(gè) 客 戶 一 個(gè) 進(jìn) 程, 需 要 操 作 系 統(tǒng) 的 干 預(yù), 進(jìn) 程 的 數(shù) 目 受 操 作 系 統(tǒng) 的 限 制。 本 文 利 用Java 的 線 程 機(jī) 制 建 立 了 基 于 多 線 程 的 并 發(fā) 服 務(wù) 器。 生 成 和 管 理 他 們 是 相 當(dāng) 簡(jiǎn) 單 的 操 作。 線 程 被 用 來(lái) 建 立 請(qǐng) 求 驅(qū) 動(dòng) 的 服 務(wù) 程 序, 每 個(gè) 客 戶 一 個(gè) 線 程, 多 個(gè) 線 程 可 以 并 發(fā) 執(zhí) 行。 特 別 地 線 程 具 有 如 下 特 性（1） 線 程 共 享 父 進(jìn) 程 的 所 有 程 序 和 數(shù) 據(jù)（2） 有 自 身 的 運(yùn) 行 單 元（3） 有 它 自 己 的 私 有 存 儲(chǔ) 和 執(zhí) 行 環(huán) 境（ 尤 其 是 處 理 器 寄 存 器）， 使 得 服 務(wù) 器 進(jìn) 程 不 隨 客 戶 數(shù) 的 增 加 而 線 性 增 加。 可 減 少 服 務(wù) 器 進(jìn) 程 的 壓 力, 降 低 開(kāi) 銷, 充 分 利 用CPU 的 資 源。 以 上 并 發(fā) 服 務(wù) 器 在 某 一 瞬 間 由 同 一 服 務(wù) 器 進(jìn) 程 所 產(chǎn) 生 的 多 個(gè) 并 發(fā) 線 程 對(duì) 多 個(gè) 客 戶 的 并 發(fā) 請(qǐng) 求 采 取 分 而 治 之 的 措 施, 從 而 解 決 了 并 發(fā) 請(qǐng) 求 的 問(wèn) 題。 各 線 程 即 可 以 獨(dú) 立 操 作, 又 可 以 協(xié) 同 作 業(yè)。 降 低 了 服 務(wù) 器 的 復(fù) 雜 度。  

Java 是 基 于 操 作 系 統(tǒng) 級(jí) 的 多 線 程 環(huán) 境 之 上 設(shè) 計(jì) 的，Java 的 運(yùn) 行 器 依 靠 多 線 程 來(lái) 執(zhí) 行 任 務(wù)， 并 且 所 有 類 庫(kù) 在 設(shè) 計(jì) 時(shí) 都 考 慮 到 多 線 程 機(jī) 制。  

二、Java 線 程 的 結(jié) 構(gòu) 
Java 支 持 一 種“ 搶 占 式”（preemptive) 調(diào) 度 方 式。  
線 程 從 產(chǎn) 生 到 消 失， 可 分5 個(gè) 狀 態(tài)：  
Newborn 
線 程 在 己 被 創(chuàng) 建 但 未 執(zhí) 行 這 段 時(shí) 間 內(nèi), 處 于 一 個(gè) 特 殊 的"Newborn" 狀 態(tài), 這 時(shí), 線 程 對(duì) 象 己 被 分 配 內(nèi) 存 空 間, 其 私 有 數(shù) 據(jù) 己 被 初 始 化, 但 該 線 程 還 未 被 調(diào) 度。 此 時(shí) 線 程 對(duì) 象 可 通 過(guò)start（） 方 法 調(diào) 度, 或 者 利 用stop（） 方 法 殺 死. 新 創(chuàng) 建 的 線 程 一 旦 被 調(diào) 度, 就 將 切 換 到"Runnable" 狀 態(tài)。  

Runnable 
Runnable 意 即 線 程 的 就 緒 狀 態(tài), 表 示 線 程 正 等 待 處 理 器 資 源, 隨 時(shí) 可 被 調(diào) 用 執(zhí) 行。 處 于 就 緒 狀 態(tài) 的 線 程 事 實(shí) 上 己 被 調(diào) 度, 也 就 是 說(shuō), 它 們 己 經(jīng) 被 放 到 某 一 隊(duì) 列 等 待 執(zhí) 行。 處 于 就 緒 狀 態(tài) 的 線 程 何 時(shí) 可 真 正 執(zhí) 行, 取 決 于 線 程 優(yōu) 先 級(jí) 以 及 隊(duì) 列 的 當(dāng) 前 狀 況。 線 程 的 優(yōu) 先 級(jí) 如 果 相 同, 將 遵 循" 先 來(lái) 先 服 務(wù)" 的 調(diào) 度 原 則。  

線 程 依 據(jù) 自 身 優(yōu) 先 級(jí) 進(jìn) 入 等 待 隊(duì) 列 的 相 應(yīng) 位 置。 某 些 系 統(tǒng) 線 程 具 有 最 高 優(yōu) 先 級(jí), 這 些 最 高 優(yōu) 先 級(jí) 線 程 一 旦 進(jìn) 入 就 緒 狀 態(tài), 將 搶 占 當(dāng) 前 正 在 執(zhí) 行 的 線 程 的 處 理 器 資 源, 當(dāng) 前 線 程 只 能 重 新 在 等 待 隊(duì) 列 尋 找 自 己 的 位 置. 這 些 具 有 最 高 優(yōu) 先 級(jí) 的 線 程 執(zhí) 行 完 自 己 的 任 務(wù) 之 后, 將 睡 眠 一 段 時(shí) 間, 等 待 被 某 一 事 件 喚 醒. 一 旦 被 喚, 這 些 線 程 就 又 開(kāi) 始 搶 占 處 理 器 資 源。 這 些 最 高 優(yōu) 先 級(jí) 線 程 通 常 用 來(lái) 執(zhí) 行 一 些 關(guān) 鍵 性 任 務(wù), 如 屏 幕 顯 示。  

低 優(yōu) 先 級(jí) 線 程 需 等 待 更 長(zhǎng) 的 時(shí) 間 才 能 有 機(jī) 會(huì) 運(yùn) 行。 由 于 系 統(tǒng) 本 身 無(wú) 法 中 止 高 優(yōu) 先 級(jí) 線 程 的 執(zhí) 行, 因 此, 如 果 你 的 程 序 中 用 到 了 優(yōu) 先 級(jí) 較 高 的 線 程 對(duì) 象, 那 么 最 好 不 時(shí) 讓 這 些 線 程 放 棄 對(duì) 處 理 器 資 源 的 控 制 權(quán), 以 使 其 他 線 程 能 夠 有 機(jī) 運(yùn) 行。  

Running 
"Running"（ 運(yùn) 行） 狀 態(tài) 表 明 線 程 正 在 運(yùn) 行, 該 線 己 經(jīng) 擁 有 了 對(duì) 處 理 器 的 控 制 權(quán), 其 代 碼 目 前 正 在 運(yùn) 行。 這 個(gè) 線 程 將 一 直 運(yùn) 行 直 到 運(yùn) 行 完 畢, 除 非 運(yùn) 行 過(guò) 程 的 控 制 權(quán) 被 一 優(yōu) 先 級(jí) 更 高 的 線 程 強(qiáng) 占。  

綜 合 起 來(lái), 線 程 在 如 下3 種 情 形 之 下 將 釋 放 對(duì) 處 理 器 的 控 制 權(quán):  

1. 主 動(dòng) 或 被 動(dòng) 地 釋 放 對(duì) 處 理 器 資 源 的 控 制 權(quán)。 這 時(shí), 該 線 程 必 須 再 次 進(jìn) 入 等 待 隊(duì) 列, 等 待 其 他 優(yōu) 先 級(jí) 高 或 相 等 線 程 執(zhí) 行 完 畢。  

2. 睡 眠 一 段 確 定 的 時(shí) 間, 不 進(jìn) 入 等 待 隊(duì) 列。 這 段 確 定 的 時(shí) 間 段 到 期 之 后, 重 新 開(kāi) 始 運(yùn) 行。  

3. 等 待 某 一 事 件 喚 醒 自 己。  

Blocked 
一 個(gè) 線 程 如 果 處 于"Blocked"（ 堵 塞） 狀 態(tài), 那 么 暫 時(shí) 這 個(gè) 線 程 將 無(wú) 法 進(jìn) 入 就 緒 隊(duì) 列。 處 于 堵 塞 狀 態(tài) 的 線 程 通 常 必 須 由 某 些 事 件 才 能 喚 醒。 至 于 是 何 種 事 件, 則 取 決 于 堵 塞 發(fā) 生 的 原 因: 處 于 睡 眠 中 的 線 程 必 須 被 堵 塞 一 段 固 定 的 時(shí) 間; 被 掛 起、 或 處 于 消 息 等 待 狀 態(tài) 的 線 程 則 必 須 由 一 外 來(lái) 事 件 喚 醒。  

Dead 
Dead 表 示 線 程 巳 退 出 運(yùn) 行 狀 態(tài), 并 且 不 再 進(jìn) 入 就 緒 隊(duì) 列. 其 中 原 因 可 能 是 線 程 巳 執(zhí) 行 完 畢（ 正 常 結(jié) 束）, 也 可 能 是 該 線 程 被 另 一 線 程 所 強(qiáng) 行 中 斷（kill）。  

三、 創(chuàng) 建 和 使 用 線 程 的 基 本 方 法 
1. 線 程 的 產(chǎn) 生  
在Java 語(yǔ) 言 中, 可 采 用 兩 種 方 式 產(chǎn) 生 線 程: 一 是 實(shí) 現(xiàn) 一 個(gè)Runnable 界 面, 二 是 擴(kuò) 充 一 個(gè)Thread 類.java.lang 中 定 義 了 一 個(gè) 直 接 從 根 類Object 中 派 生 的Thread 類. 所 有 以 這 個(gè) 類 派 生 的 子 類 或 間 接 子 類， 均 為 線 程。 在 這 種 方 式 中, 需 要 作 為 一 個(gè) 線 程 執(zhí) 行 的 類 只 能 繼 承、 擴(kuò) 充 單 一 的 父 類。 下 面 的 例 子 通 過(guò) 擴(kuò) 充Thread 類, 用 該 線 程 自 己 的 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 覆 蓋Thread.run(), 產(chǎn) 生 一 個(gè) 新 類Counter。run () 方 法 是Counter 類 線 程 所 作 的 全 部 操 作.  

import java.lang.*; 
public class Counter extends Thread 
{ 
    public void run () 
{....} 
} 

實(shí) 現(xiàn)Runnable 界 面 是 最 常 用 的 產(chǎn) 生 線 程 的 方 法, 它 打 破 了 擴(kuò) 充Thread 類 方 式 的 限 制。  
Java 語(yǔ) 言 源 碼 中,Runnable 界 面 只 包 含 了 一 個(gè) 抽 象 方 法, 其 定 義 如 下:  

package java.lang.*; 
public interface Runnable { 
public abstract void run (); 
} 

所 有 實(shí) 現(xiàn) 了Runnable 界 面 的 類 的 對(duì) 象 都 可 以 以 線 程 方 式 執(zhí) 行. 下 面 的 例 子 產(chǎn) 生 與 上 面 例 子 相 同 的 類. 可 以 看 到counter 類 中 使 用 了 一 個(gè)Thread 類 的 變 量.  
import java.lang.*; 
public class counter implements Runnable 
{ Thread T; 
public void run () 
{...} 
} 
2、 基 本 方 法  
.public synchronized void start()  

啟 動(dòng) 線 程 對(duì) 象, 調(diào) 用 其run() 方 法, 隨 即 返 回。  

.pubilc final void stop()  

停 止 線 程 的 執(zhí) 行。  

.public final void resume()  

喚 醒 被 掛 起 的 線 程。 只 在 調(diào) 用suspend() 之 后 有 效。  

.public final void suspend()  

掛 起 線 程 的 執(zhí) 行。  

.public static void yield()  

暫 時(shí) 中 止 當(dāng) 前 正 在 執(zhí) 行 的 線 程 對(duì) 象 的 運(yùn) 行。 若 存 在 其 他 線 程, 則 隨 后 調(diào) 用 下 一 個(gè) 線 程。  

.public static void sleep (long mills)throws InterruptedException  

使 當(dāng) 前 正 處 運(yùn) 行 狀 態(tài) 的 線 程 睡 眠mills 毫 秒。  

.public final void wait() throws InterruptedException  

使 線 程 進(jìn) 入 等 待 狀 態(tài)， 直 到 被 另 一 線 程 喚 醒  

.public final void motify()  

把 線 程 狀 態(tài) 的 變 化 通 知 給 另 一 等 待 線 程。  

四、 線 程 的 同 步 
線 程 的 使 用， 主 要 在 于 一 個(gè) 進(jìn) 程 中 多 個(gè) 線 程 的 協(xié) 同 工 作， 所 以 線 程 的 同 步 就 很 重 要。 線 程 的 同 步 用 于 線 程 共 享 數(shù) 據(jù)， 轉(zhuǎn) 換 和 控 制 線 程 的 執(zhí) 行， 保 證 內(nèi) 存 的 一 致 性。  
在 Java 中, 運(yùn) 行 環(huán) 境 使 用 程 序( Monitor) 來(lái) 解 決 線 程 同 步 的 問(wèn) 題。 管 程 是 一 種 并 發(fā) 同 步 機(jī) 制, 它 包 括 用 于 分 配 一 個(gè) 特 定 的 共 享 資 源 或 一 組 共 享 資 源 的 數(shù) 據(jù) 和 方 法.  

Java 為 每 一 個(gè) 擁 有 synchronized 方 法 的 對(duì) 象 實(shí) 例 提 供 了 一 個(gè) 唯 一 的 管 程。 為 了 完 成 分 配 資 源 的 功 能, 線 程 必 須 調(diào) 用 管 程 入 口。 管 程 入 口 就 是synchronized 方 法 入 口。 當(dāng) 調(diào) 用 同 步( synchronized) 方 法 時(shí), 該 線 程 就 獲 得 了 該 管 程。  

管 程 邊 界 上 實(shí) 行 嚴(yán) 格 的 互 斥, 在 同 一 時(shí) 刻, 只 允 許 一 個(gè) 線 程 進(jìn) 入 管 程; 當(dāng) 管 程 中 已 有 了 一 個(gè) 線 程 時(shí), 其 它 希 望 進(jìn) 入 管 程 的 線 程 必 須 等 待, 這 種 等 待 是 由 管 程 自 動(dòng) 管 理 的。  

如 果 調(diào) 用 管 程 入 口 的 線 程 發(fā) 現(xiàn) 資 源 已 被 分 配, 管 程 中 的 這 個(gè) 線 程 將 調(diào) 用 等 待 操 作wait()。 進(jìn) 入wait() 后, 該 線 程 放 棄 占 用 管 程, 在 管 程 外 面 等 待, 以 便 其 它 線 程 進(jìn) 入 管 程。  

最 終, 占 用 資 源 的 線 程 將 調(diào) 用 一 個(gè) 管 程 的 入 口 把 資 源 歸 還 給 系 統(tǒng), 此 時(shí), 該 線 程 需 調(diào) 用 一 個(gè) 通 知 操 作notify(), 通 知 系 統(tǒng) 允 許 其 中 一 個(gè) 等 待 的 線 程 獲 得 管 程 并 得 到 資 源。 被 通 知 的 線 程 是 排 隊(duì) 的, 從 而 避 免 無(wú) 限 拖 延。  

在 Java.lang 中 提 供 了 用 來(lái) 編 寫 管 程 的 兩 個(gè) 方 法: notify() 和wait()。 此 外 還 有notifyAll(), 它 通 知 所 有 等 待 的 線 程, 使 它 們 競(jìng) 爭(zhēng) 管 程, 結(jié) 果 是 其 中 一 個(gè) 獲 得 管 程, 其 佘 返 回 等 待 狀 態(tài)。  

五、 線 程 的 控 制 
線 程 的 控 制 分 為 停 止 線 程 和 啟 動(dòng) 線 程。  
.public final void suspend()  

掛 起 線 程 的 執(zhí) 行。  

.public final void resume()  

喚 醒 被 掛 起 的 線 程。 使 一 個(gè) 暫 停 的 線 程 可 用 于 調(diào) 度。  

因 為 線 程 的 調(diào) 度 為 搶 占 式 機(jī) 制， 也 可 使 用 線 程 的 優(yōu) 先 級(jí) 來(lái) 對(duì) 線 程 進(jìn) 行 控 制。  

.public final void setPriority(int newPriority)  

設(shè) 置 線 程 優(yōu) 先 級(jí)。  

.public final int getPriority()  

獲 取 并 返 回 線 程 的 優(yōu) 先 級(jí)。  

線 程 的 優(yōu) 先 級(jí) 用 于 在 運(yùn) 行 隊(duì) 列 中 給 線 程 排 序，Java 提 供 的 搶 占 式 調(diào) 度， 使 得 高 級(jí) 別 的 線 程 先 運(yùn) 行。  

六、 線 程 的 應(yīng) 用 
在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中， 線 程 使 用 的 范 圍 很 廣， 可 用 于 控 制 實(shí) 時(shí) 數(shù) 據(jù) 處 理、 快 速 的 網(wǎng) 絡(luò) 服 務(wù), 還 有 更 快 的 圖 象 繪 制 和 打 印， 以 及 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 中 的 數(shù) 據(jù) 的 取 回 和 處 理 等 等。 在Java 中 一 個(gè) 在 不 停 運(yùn) 行 的 提 供 一 些 基 本 服 務(wù) 的 例 子 是 垃 圾 收 集 線 程， 垃 圾 收 集 線 程，。 該 線 程 由Java 虛 擬 機(jī) 提 供。 它 掃 描 程 序 中 不 再 被 訪 問(wèn) 的 變 量， 將 其 所 占 的 系 統(tǒng) 資 源 釋 放 給 系 統(tǒng)。