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<title>新時代軟件教程:操作系統 主頁制作 服務器 設計軟件 網絡技術 編程語言 文字編輯</title>
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<p align="center"><big><strong>第14章 多線程</strong></big></p>
<div align="right">---（原著/Bruce Eckel 翻譯/Trans Bot）</div>
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利用對象，可將一個程序分割成相互獨立的區域。我們通常也需要將一個程序轉換成多個獨立運行的子任務。<br>
象這樣的每個子任務都叫作一個“線程”（Thread）。編寫程序時，可將每個線程都想象成獨立運行，而且都有自己的專用CPU。一些基礎機制實際會為我們自動分割CPU的時間。我們通常不必關心這些細節問題，所以多線程的代碼編寫是相當簡便的。<br>
這時理解一些定義對以后的學習狠有幫助。“進程”是指一種“自包容”的運行程序，有自己的地址空間。“多任務”操作系統能同時運行多個進程（程序）——但實際是由于CPU分時機制的作用，使每個進程都能循環獲得自己的CPU時間片。但由于輪換速度非常快，使得所有程序好象是在“同時”運行一樣。“線程”是進程內部單一的一個順序控制流。因此，一個進程可能容納了多個同時執行的線程。<br>
多線程的應用范圍很廣。但在一般情況下，程序的一些部分同特定的事件或資源聯系在一起，同時又不想為它而暫停程序其他部分的執行。這樣一來，就可考慮創建一個線程，令其與那個事件或資源關聯到一起，并讓它獨立于主程序運行。一個很好的例子便是“Quit”或“退出”按鈕——我們并不希望在程序的每一部分代碼中都輪詢這個按鈕，同時又希望該按鈕能及時地作出響應（使程序看起來似乎經常都在輪詢它）。事實上，多線程最主要的一個用途就是構建一個“反應靈敏”的用戶界面。<br>
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14.1 反應靈敏的用戶界面<br>
作為我們的起點，請思考一個需要執行某些CPU密集型計算的程序。由于CPU“全心全意”為那些計算服務，所以對用戶的輸入十分遲鈍，幾乎沒有什么反應。在這里，我們用一個合成的applet/application（程序片／應用程序）來簡單顯示出一個計數器的結果：<br>
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752-753頁程序<br>
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在這個程序中，AWT和程序片代碼都應是大家熟悉的，第13章對此已有很詳細的交待。go()方法正是程序全心全意服務的對待：將當前的count（計數）值置入TextField（文本字段）t，然后使count增值。<br>
go()內的部分無限循環是調用sleep()。sleep()必須同一個Thread（線程）對象關聯到一起，而且似乎每個應用程序都有部分線程同它關聯（事實上，Java本身就是建立在線程基礎上的，肯定有一些線程會伴隨我們寫的應用一起運行）。所以無論我們是否明確使用了線程，都可利用Thread.currentThread()產生由程序使用的當前線程，然后為那個線程調用sleep()。注意，Thread.currentThread()是Thread類的一個靜態方法。<br>
注意sleep()可能“擲”出一個InterruptException（中斷違例）——盡管產生這樣的違例被認為是中止線程的一種“惡意”手段，而且應該盡可能地杜絕這一做法。再次提醒大家，違例是為異常情況而產生的，而不是為了正常的控制流。在這里包含了對一個“睡眠”線程的中斷，以支持未來的一種語言特性。<br>
一旦按下start按鈕，就會調用go()。研究一下go()，你可能會很自然地（就象我一樣）認為它該支持多線程，因為它會進入“睡眠”狀態。也就是說，盡管方法本身“睡著”了，CPU仍然應該忙于監視其他按鈕“按下”事件。但有一個問題，那就是go()是永遠不會返回的，因為它被設計成一個無限循環。這意味著actionPerformed()根本不會返回。由于在第一個按鍵以后便陷入actionPerformed()中，所以程序不能再對其他任何事件進行控制（如果想出來，必須以某種方式“殺死”進程——最簡便的方式就是在控制臺窗口按Ctrl＋C鍵）。<br>
這里最基本的問題是go()需要繼續執行自己的操作，而與此同時，它也需要返回，以便actionPerformed()能夠完成，而且用戶界面也能繼續響應用戶的操作。但對象go()這樣的傳統方法來說，它卻不能在繼續的同時將控制權返回給程序的其他部分。這聽起來似乎是一件不可能做到的事情，就象CPU必須同時位于兩個地方一樣，但線程可以解決一切。“線程模型”（以及Java中的編程支持）是一種程序編寫規范，可在單獨一個程序里實現幾個操作的同時進行。根據這一機制，CPU可為每個線程都分配自己的一部分時間。每個線程都“感覺”自己好象擁有整個CPU，但CPU的計算時間實際卻是在所有線程間分攤的。<br>
線程機制多少降低了一些計算效率，但無論程序的設計，資源的均衡，還是用戶操作的方便性，都從中獲得了巨大的利益。綜合考慮，這一機制是非常有價值的。當然，如果本來就安裝了多塊CPU，那么操作系統能夠自行決定為不同的CPU分配哪些線程，程序的總體運行速度也會變得更快（所有這些都要求操作系統以及應用程序的支持）。多線程和多任務是充分發揮多處理機系統能力的一種最有效的方式。<br>
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14.1.1 從線程繼承<br>
為創建一個線程，最簡單的方法就是從Thread類繼承。這個類包含了創建和運行線程所需的一切東西。Thread最重要的方法是run()。但為了使用run()，必須對其進行過載或者覆蓋，使其能充分按自己的吩咐行事。因此，run()屬于那些會與程序中的其他線程“并發”或“同時”執行的代碼。<br>
下面這個例子可創建任意數量的線程，并通過為每個線程分配一個獨一無二的編號（由一個靜態變量產生），從而對不同的線程進行跟蹤。Thread的run()方法在這里得到了覆蓋，每通過一次循環，計數就減1——計數為0時則完成循環（此時一旦返回run()，線程就中止運行）。<br>
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755頁程序<br>
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run()方法幾乎肯定含有某種形式的循環——它們會一直持續到線程不再需要為止。因此，我們必須規定特定的條件，以便中斷并退出這個循環（或者在上述的例子中，簡單地從run()返回即可）。run()通常采用一種無限循環的形式。也就是說，通過阻止外部發出對線程的stop()或者destroy()調用，它會永遠運行下去（直到程序完成）。<br>
在main()中，可看到創建并運行了大量線程。Thread包含了一個特殊的方法，叫作start()，它的作用是對線程進行特殊的初始化，然后調用run()。所以整個步驟包括：調用構建器來構建對象，然后用start()配置線程，再調用run()。如果不調用start()——如果適當的話，可在構建器那樣做——線程便永遠不會啟動。<br>
下面是該程序某一次運行的輸出（注意每次運行都會不同）：<br>
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756頁程序<br>
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可注意到這個例子中到處都調用了sleep()，然而輸出結果指出每個線程都獲得了屬于自己的那一部分CPU執行時間。從中可以看出，盡管sleep()依賴一個線程的存在來執行，但卻與允許或禁止線程無關。它只不過是另一個不同的方法而已。<br>
亦可看出線程并不是按它們創建時的順序運行的。事實上，CPU處理一個現有線程集的順序是不確定的——除非我們親自介入，并用Thread的setPriority()方法調整它們的優先級。<br>
main()創建Thread對象時，它并未捕獲任何一個對象的句柄。普通對象對于垃圾收集來說是一種“公平競賽”，但線程卻并非如此。每個線程都會“注冊”自己，所以某處實際存在著對它的一個引用。這樣一來，垃圾收集器便只好對它“瞠目以對”了。<br>
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14.1.2 針對用戶界面的多線程<br>
現在，我們也許能用一個線程解決在Counter1.java中出現的問題。采用的一個技巧便是在一個線程的run()方法中放置“子任務”——亦即位于go()內的循環。一旦用戶按下Start按鈕，線程就會啟動，但馬上結束線程的創建。這樣一來，盡管線程仍在運行，但程序的主要工作卻能得以繼續（等候并響應用戶界面的事件）。下面是具體的代碼：<br>
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757-759頁程序<br>
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現在，Counter2變成了一個相當直接的程序，它的唯一任務就是設置并管理用戶界面。但假若用戶現在按下Start按鈕，卻不會真正調用一個方法。此時不是創建類的一個線程，而是創建SeparateSubTask，然后繼續Counter2事件循環。注意此時會保存SeparateSubTask的句柄，以便我們按下onOff按鈕的時候，能正常地切換位于SeparateSubTask內部的runFlag（運行標志）。隨后那個線程便可啟動（當它看到標志的時候），然后將自己中止（亦可將SeparateSubTask設為一個內部類來達到這一目的）。<br>
SeparateSubTask類是對Thread的一個簡單擴展，它帶有一個構建器（其中保存了Counter2句柄，然后通過調用start()來運行線程）以及一個run()——本質上包含了Counter1.java的go()內的代碼。由于SeparateSubTask知道自己容納了指向一個Counter2的句柄，所以能夠在需要的時候介入，并訪問Counter2的TestField（文本字段）。<br>
按下onOff按鈕，幾乎立即能得到正確的響應。當然，這個響應其實并不是“立即”發生的，它畢竟和那種由“中斷”驅動的系統不同。只有線程擁有CPU的執行時間，并注意到標記已發生改變，計數器才會停止。<br>
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1. 用內部類改善代碼<br>
下面說說題外話，請大家注意一下SeparateSubTask和Counter2類之間發生的結合行為。SeparateSubTask同Counter2“親密”地結合到了一起——它必須持有指向自己“父”Counter2對象的一個句柄，以便自己能回調和操縱它。但兩個類并不是真的合并為單獨一個類（盡管在下一節中，我們會講到Java確實提供了合并它們的方法），因為它們各自做的是不同的事情，而且是在不同的時間創建的。但不管怎樣，它們依然緊密地結合到一起（更準確地說，應該叫“聯合”），所以使程序代碼多少顯得有些笨拙。在這種情況下，一個內部類可以顯著改善代碼的“可讀性”和執行效率：<br>
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759-761頁程序<br>
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這個SeparateSubTask名字不會與前例中的SeparateSubTask沖突——即使它們都在相同的目錄里——因為它已作為一個內部類隱藏起來。大家亦可看到內部類被設為private（私有）屬性，這意味著它的字段和方法都可獲得默認的訪問權限（run()除外，它必須設為public，因為它在基礎類中是公開的）。除Counter2i之外，其他任何方面都不可訪問private內部類。而且由于兩個類緊密結合在一起，所以很容易放寬它們之間的訪問限制。在SeparateSubTask中，我們可看到invertFlag()方法已被刪去，因為Counter2i現在可以直接訪問runFlag。<br>
此外，注意SeparateSubTask的構建器已得到了簡化——它現在唯一的用外就是啟動線程。Counter2i對象的句柄仍象以前那樣得以捕獲，但不再是通過人工傳遞和引用外部對象來達到這一目的，此時的內部類機制可以自動照料它。在run()中，可看到對t的訪問是直接進行的，似乎它是SeparateSubTask的一個字段。父類中的t字段現在可以變成private，因為SeparateSubTask能在未獲任何特殊許可的前提下自由地訪問它——而且無論如何都該盡可能地把字段變成“私有”屬性，以防來自類外的某種力量不慎地改變它們。<br>
無論在什么時候，只要注意到類相互之間結合得比較緊密，就可考慮利用內部類來改善代碼的編寫與維護。<br>
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14.1.3 用主類合并線程<br>
在上面的例子中，我們看到線程類（Thread）與程序的主類（Main）是分隔開的。這樣做非常合理，而且易于理解。然而，還有另一種方式也是經常要用到的。盡管它不十分明確，但一般都要更簡潔一些（這也解釋了它為什么十分流行）。通過將主程序類變成一個線程，這種形式可將主程序類與線程類合并到一起。由于對一個GUI程序來說，主程序類必須從Frame或Applet繼承，所以必須用一個接口加入額外的功能。這個接口叫作Runnable，其中包含了與Thread一致的基本方法。事實上，Thread也實現了Runnable，它只指出有一個run()方法。<br>
對合并后的程序／線程來說，它的用法不是十分明確。當我們啟動程序時，會創建一個Runnable（可運行的）對象，但不會自行啟動線程。線程的啟動必須明確進行。下面這個程序向我們演示了這一點，它再現了Counter2的功能：<br>
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762-763頁程序1<br>
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現在run()位于類內，但它在init()結束以后仍處在“睡眠”狀態。若按下啟動按鈕，線程便會用多少有些曖昧的表達方式創建（若線程尚不存在）：<br>
new Thread(Counter3.this);<br>
若某樣東西有一個Runnable接口，實際只是意味著它有一個run()方法，但不存在與之相關的任何特殊東西——它不具有任何天生的線程處理能力，這與那些從Thread繼承的類是不同的。所以為了從一個Runnable對象產生線程，必須單獨創建一個線程，并為其傳遞Runnable對象；可為其使用一個特殊的構建器，并令其采用一個Runnable作為自己的參數使用。隨后便可為那個線程調用start()，如下所示：<br>
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