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sun認(rèn)證考試經(jīng)驗(yàn)：多線程的幾種實(shí)現(xiàn)方法詳解
隨著CPU主頻的不斷攀升，X86架構(gòu)的硬件已經(jīng)成為瓶，在這種架構(gòu)的CPU主頻最高為4G。事實(shí)上目前3.6G主頻的CPU已經(jīng)接近了頂峰。
如果不能從根本上更新當(dāng)前CPU的架構(gòu)(在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還不太可能)，那么繼續(xù)提高CPU性能的方法就是超線程CPU模式。那么，作業(yè)系統(tǒng)、應(yīng)用程序要發(fā)揮CPU的最大性能，就是要改變到以多線程編程模型為主的并行處理系統(tǒng)和并發(fā)式應(yīng)用程序。
所以，掌握多線程編程模型，不僅是目前提高應(yīng)用性能的手段，更是下一代編程模型的核心思想。多線程編程的目的，就是"最大限度地利用CPU資源"，當(dāng)某一線程的處理不需要占用CPU而只和I/O,OEMBIOS等資源打交道時(shí)，讓需要占用CPU資源的其它線程有機(jī)會(huì)獲得CPU資源。從根本上說(shuō)，這就是多線程編程的最終目的。
[第一需要弄清的問(wèn)題]
如同程序和進(jìn)程的區(qū)別，要掌握多線程編程，第一要弄清的問(wèn)題是：線程對(duì)象和線程的區(qū)別。
線程對(duì)象是可以產(chǎn)生線程的對(duì)象。比如在java平臺(tái)中Thread對(duì)象，Runnable對(duì)象。線程，是指正在執(zhí)行的一個(gè)指點(diǎn)令序列。在java平臺(tái)上是指從一個(gè)線程對(duì)象的start()開(kāi)始，運(yùn)行run方法體中的那一段相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程。
鑒于作者的水平，無(wú)法用更確切的詞匯來(lái)描述它們的定義。但這兩個(gè)有本質(zhì)區(qū)別的概念請(qǐng)初學(xué)者細(xì)細(xì)體會(huì)，隨著介紹的深入和例程分析的增加，就會(huì)慢慢明白它們所代表的真實(shí)含義。
天下難事必始于易，天下大事必始于細(xì)。
讓我們先從最簡(jiǎn)單的"單線程"來(lái)入手：(1)帶引號(hào)說(shuō)明只是相對(duì)而言的單線程，(2)基于java。
class BeginClass{
public static void main(String[] args){
for(int i=0;i<100;i++)
System.out.println("Hello,World!");
}
}
如果我們成功編譯了該java文件，然后在命令行上敲入：
java BeginClass
現(xiàn)在發(fā)生了什么呢?每一個(gè)java程序員，從他開(kāi)始學(xué)習(xí)java的第一分鐘里都會(huì)接觸到這個(gè)問(wèn)題，但是，你知道它到底發(fā)生發(fā)什么?
JVM進(jìn)程被啟動(dòng)，在同一個(gè)JVM進(jìn)程中，有且只有一個(gè)進(jìn)程，就是它自己。然后在這個(gè)JVM環(huán)境中，所有程序的運(yùn)行都是以線程來(lái)運(yùn)行。JVM最先會(huì)產(chǎn)生一個(gè)主線程，由它來(lái)運(yùn)行指定程序的入口點(diǎn)。在這個(gè)程序中，就是主線程從main方法開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)main方法結(jié)束后，主線程運(yùn)行完成。JVM進(jìn)程也隨之退出。
我們看到的是一個(gè)主線程在運(yùn)行main方法，這樣的只有一個(gè)線程執(zhí)行程序邏輯的流程我們稱
之為單線程。這是JVM提供給我們的單線程環(huán)境，事實(shí)上，JVM底層還至少有垃圾回收這樣的后臺(tái)線程以及其它非java線程，但這些線程對(duì)我們而言不可訪問(wèn)，我們只認(rèn)為它是單線程的。
主線程是JVM自己?jiǎn)?dòng)的，在這里它不是從線程對(duì)象產(chǎn)生的。在這個(gè)線程中，它運(yùn)行了main方法這個(gè)指令序列。理解它，但它沒(méi)有更多可以研究的內(nèi)容。
[接觸多線程]
class MyThread extends Thread{
public void run(){
System.out.println("Thread say:Hello,World!");
}
}
public class MoreThreads{
public static void main(String[] args){
new MyThread();
new MyThread().start();
System.out.println("Main say:Hello,World");
}
}
執(zhí)行這個(gè)程序，main方法第一行產(chǎn)生了一個(gè)線程對(duì)象，但并沒(méi)有線程啟動(dòng)。
main方法第二行產(chǎn)生了一個(gè)線程對(duì)象，并啟動(dòng)了一個(gè)線程。
main方法第三行，產(chǎn)生并啟動(dòng)一個(gè)線程后，主線程自己也繼續(xù)執(zhí)行其它語(yǔ)句。
我們先不研究Thread對(duì)象的具體內(nèi)容，稍微來(lái)回想一下上面的兩個(gè)概念，線程對(duì)象和線程。在JAVA中，線程對(duì)象是JVM產(chǎn)生的一個(gè)普通的Object子類。而線程是CPU分配給這個(gè)對(duì)象的一個(gè)運(yùn)行過(guò)程。我們說(shuō)的這個(gè)線程在干什么，不是說(shuō)一個(gè)線程對(duì)象在干什么，而是這個(gè)運(yùn)行過(guò)程在干什么。如果一時(shí)想不明白，不要急，但你要記得它們不是一回事就行了。
累了吧?為不么不繼續(xù)了?
基于這種風(fēng)格來(lái)介紹多線程，并不是每個(gè)人都喜歡和接受的，如果你不喜歡，正好不浪費(fèi)你的時(shí)間了，而如果你接受的話，那就看下一節(jié)吧。
在進(jìn)入java平臺(tái)的線程對(duì)象之前，我先插入兩個(gè)基本概念。
[線程的并發(fā)與并行]
在單CPU系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)度在某一時(shí)刻只能讓一個(gè)線程運(yùn)行，雖然這種調(diào)試機(jī)制有多種形式(大多數(shù)是時(shí)間片輪巡為主)，但無(wú)論如何，要通過(guò)不斷切換需要運(yùn)行的線程讓其運(yùn)行的方式就叫并發(fā)(concurrent)。而在多CPU系統(tǒng)中，可以讓兩個(gè)以上的線程同時(shí)運(yùn)行，這種可以同時(shí)讓兩個(gè)以上線程同時(shí)運(yùn)行的方式叫做并行(parallel)。
在上面包括以后的所有論述中，請(qǐng)各位朋友諒解，我無(wú)法用最準(zhǔn)確的詞語(yǔ)來(lái)定義儲(chǔ)如并發(fā)和并行這類術(shù)語(yǔ)，但我以我的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芡ㄋ椎馗嬖V大家它是怎么一回事，如果您看到我說(shuō)的一些"標(biāo)準(zhǔn)"文檔上說(shuō)的不一樣，只要意思一致，那您就不要挑刺了。
[JAVA線程對(duì)象]
現(xiàn)在我們來(lái)開(kāi)始考察JAVA中線程對(duì)象。
在JAVA中，要開(kāi)始一個(gè)線程，有兩種方式。一是直接調(diào)用Thread實(shí)例的start()方法，二是
將Runable實(shí)例傳給一個(gè)Thread實(shí)例然后調(diào)用它的start()方法。
在前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，線程對(duì)象和線程是兩個(gè)完全不同的概念。這里我們?cè)俅紊钊胍幌�，生成一個(gè)線程的實(shí)例，并不代表啟動(dòng)了線程。而啟動(dòng)線程是說(shuō)在某個(gè)線程對(duì)象上啟動(dòng)了該實(shí)例對(duì)應(yīng)的線程，當(dāng)該線程結(jié)束后，并不會(huì)就立即消失。
對(duì)于從很多書(shū)籍上可以看到的基礎(chǔ)知識(shí)我就不用多說(shuō)了。既然是基礎(chǔ)知識(shí)，我也著重于從普通文檔上讀不到的內(nèi)容。所以本節(jié)我重點(diǎn)要說(shuō)的是兩種線程對(duì)象產(chǎn)生線程方式的區(qū)別。
class MyThread extends Thread{
public int x = 0;
public void run(){
for(int i=0;i<100;i++){
try{
Thread.sleep(10);
}catch(Exception e){}
System.out.println(x++);
}
}
}
如果我們生成MyThread的一個(gè)實(shí)例，然后調(diào)用它的start()方法，那么就產(chǎn)生了這個(gè)實(shí)例對(duì)應(yīng)的線程:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception{
MyThread mt = new MyThread();
mt.start();
}
}
不用說(shuō)，最終會(huì)打印出0到99，現(xiàn)在我們稍微玩一點(diǎn)花樣:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception{
MyThread mt = new MyThread();
mt.start();
System.out.println(101);
}
}
也不用說(shuō)，在基礎(chǔ)篇(一)中我們知道由于單CPU的原因，一般會(huì)先打印101，然后打印0到99。不過(guò)我們可以控制線程讓它按我們的意思來(lái)運(yùn)行:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception{
MyThread mt = new MyThread();
mt.start();
mt.join();
System.out.println(101);
}
}
好了，我們終于看到，mt實(shí)例對(duì)應(yīng)的線程(假如我有時(shí)說(shuō)mt線程請(qǐng)你不要怪我，不過(guò)我盡量不這么說(shuō))。在運(yùn)行完成后，主線程才打印101。因?yàn)槲覀冏尞?dāng)前線程(這里是主線程)等待mt線程的運(yùn)行結(jié)束。"在線程對(duì)象a上調(diào)用join()方法，就是讓當(dāng)前正在執(zhí)行的線程等待線程對(duì)象a對(duì)應(yīng)的線程運(yùn)行完成后才繼續(xù)運(yùn)行。" 請(qǐng)大家一定要深刻理解并熟記這句話，而我這里引出這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的目的是為了讓你繼續(xù)看下面的例子:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception{
MyThread mt = new MyThread();
mt.start();
mt.join();
Thread.sleep(3000);
mt.start();
}
}
當(dāng)線程對(duì)象mt運(yùn)行完成后，我們讓主線程休息一下，然后我們?cè)俅卧谶@個(gè)線程對(duì)象上啟動(dòng)線程。結(jié)果我們看到:
Exception in thread "main" java.lang.IllegalThreadStateException
也就是這種線程對(duì)象一時(shí)運(yùn)行一次完成后，它就再也不能運(yùn)行第二次了。我們可以看一下它有具體實(shí)現(xiàn):
public synchronized void start() {
if (started)
throw new IllegalThreadStateException();
started = true;
group.add(this);
start0();
}
一個(gè)Thread的實(shí)例一旦調(diào)用start()方法，這個(gè)實(shí)例的started標(biāo)記就標(biāo)記為true，事實(shí)中不管這個(gè)線程后來(lái)有沒(méi)有執(zhí)行到底，只要調(diào)用了一次start()就再也沒(méi)有機(jī)會(huì)運(yùn)行了，這意味著:
[通過(guò)Thread實(shí)例的start()，一個(gè)Thread的實(shí)例只能產(chǎn)生一個(gè)線程]
那么如果要在一個(gè)實(shí)例上產(chǎn)生多個(gè)線程(也就是我們常說(shuō)的線程池)，我們應(yīng)該如何做呢?這就是Runnable接口給我們帶來(lái)的偉大的功能。
class R implements Runnable{
private int x = 0;
public void run(){
for(int i=0;i<100;i++){
try{
Thread.sleep(10);
}catch(Exception e){}
System.out.println(x++);
}
}
}
正如它的名字一樣，Runnable的實(shí)例是可運(yùn)行的，但它自己并不能直接運(yùn)行，它需要被Thread對(duì)象來(lái)包裝才行運(yùn)行:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception{
new Thread(new R()).start();
}
}
當(dāng)然這個(gè)結(jié)果和mt.start()沒(méi)有什么區(qū)別。但如果我們把一個(gè)Runnable實(shí)例給Thread對(duì)象多次包裝，我們就可以看到它們實(shí)際是在同一實(shí)例上啟動(dòng)線程:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception{
R r = new R();
for(int i=0;i<10;i++)
new Thread(r).start();
}
}
x是實(shí)例對(duì)象，但結(jié)果是x被加到了999，說(shuō)明這10個(gè)線程是在同一個(gè)r對(duì)象上運(yùn)行的。請(qǐng)大家注意，因?yàn)檫@個(gè)例子是在單CPU上運(yùn)行的，所以沒(méi)有對(duì)多個(gè)線程同時(shí)操作共同的對(duì)象進(jìn)行同步。這里是為了說(shuō)明的方便而簡(jiǎn)化了同步，而真正的環(huán)境中你無(wú)法預(yù)知程序會(huì)在什么環(huán)境下運(yùn)行，所以一定要考慮同步。
到這里我們做一個(gè)完整的例子來(lái)說(shuō)明線程產(chǎn)生的方式不同而生成的線程的區(qū)別:
package debug;
import java.io.*;
import java.lang.Thread;
class MyThread extends Thread{
public int x = 0;
public void run(){
System.out.println(++x);
}
}
class R implements Runnable{
private int x = 0;
public void run(){
System.out.println(++x);
}
}
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception{
for(int i=0;i<10;i++){
Thread t = new MyThread();
t.start();
}
Thread.sleep(10000);//讓上面的線程運(yùn)行完成
R r = new R();
for(int i=0;i<10;i++){
Thread t = new Thread(r);
t.start();
}
}
}
上面10個(gè)線程對(duì)象產(chǎn)生的10個(gè)線程運(yùn)行時(shí)打印了10次1。下面10個(gè)線程對(duì)象產(chǎn)生的10個(gè)線程運(yùn)行時(shí)打印了1到10。我們把下面的10個(gè)線程稱為同一實(shí)例(Runnable實(shí)例)的多個(gè)線程。
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