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编程基础之多线程


 

   

  多线程

  多线程(multiple thread)是计算机实现多任务并行处理的一种方式。

  在单线程情况下,计算机中存在一个控制权,并按照顺序依次执行指令。单线程好像是一个只有一个队长指挥的小队,整个小队同一个时间只能执行一个任务。

  单线程

  在多线程情境下,计算机中有多个控制权。多个控制权可以同时进行,每个控制权依次执行一系列的指令。多线程好像是一个小队中的成员同时执行不同的任务。

  可参考Linux多线程与同步,并对比Python多线程与同步

  多线程

  传统意义上,多线程是由操作系统提供的功能。对于单核的CPU,硬件中只存在一个线程。在操作系统的控制下,CPU会在不同的任务间(线程间)切换,从而造成多任务齐头并进的效果。这是单CPU分时复用机制下的多线程。现在,随着新的硬件技术的发展,硬件本身开始提供多线程支持,比如多核和超线程技术。然而,硬件的多线程还是要接受操作系统的统一管理。在操作系统之上的多线程程序依然通用。

  多个线程可以并存于同一个进程空间。在JVM的一个进程空间中,一个栈(stack)代表了方法调用的次序。对于多线程来说,进程空间中需要有多个栈,以记录不同线程的调用次序。多个栈互不影响,但所有的线程将共享堆(heap)中的对象。

  创建线程

  Java中“一切皆对象”,线程也被封装成一个对象。我们可以通过继承Thread类来创建线程。线程类中的的run()方法包含了该线程应该执行的指令。我们在衍生类中覆盖该方法,以便向线程说明要做的任务:

  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中的累加运算符,即让变量加1。这里++出现在threadID之前,说明先将threadID加1,再对周边的表达式求值

  toString是Object根类的方法,我们通过覆盖该方法,来将对象转换成字符串。当我们打印该对象时,Java将自动调用该方法。)

  可以看到,Thread基类的构建方法(super())可以接收一个字符串作为参数。该字符串是该线程的名字,并使用getName()返回。

  定义类之后,我们在main()方法中创建线程对象。每个线程对象为一个线程。创建线程对象后,线程还没有开始执行。

  我们调用线程对象的start()方法来启动线程。start()方法可以在构造方法中调用。这样,我们一旦使用new创建线程对象,就立即执行。

  Thread类还提供了下面常用方法:

  join(Thread tr) 等待线程tr完成

  setDaemon() 设置当前线程为后台daemon (进程结束不受daemon线程的影响)

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

  Runnable

  实现多线程的另一个方式是实施Runnable接口,并提供run()方法。实施接口的好处是容易实现多重继承(multiple inheritance)。然而,由于内部类语法,继承Thread创建线程可以实现类似的功能。我们在下面给出一个简单的例子,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

  多任务编程的难点在于多任务共享资源。对于同一个进程空间中的多个线程来说,它们都共享堆中的对象。某个线程对对象的操作,将影响到其它的线程。

  在多线程编程中,要尽力避免竞争条件(racing condition),即运行结果依赖于不同线程执行的先后。线程是并发执行的,无法确定线程的先后,所以我们的程序中不应该出现竞争条件。

  然而,当多任务共享资源时,就很容易造成竞争条件。我们需要将共享资源,并造成竞争条件的多个线程线性化执行,即同一时间只允许一个线程执行。

  (可更多参考Linux多线程与同步)

  下面是一个售票程序。3个售票亭(Booth)共同售卖100张票(Reservoir)。每个售票亭要先判断是否有余票,然后再卖出一张票。如果只剩下一张票,在一个售票亭的判断和售出两个动作之间,另一个售票亭卖出该票,那么第一个售票亭(由于已经执行过判断)依然会齿形卖出,造成票的超卖。为了解决该问题,判断和售出两个动作之间不能有“空隙”。也就是说,在一个线程完成了这两个动作之后,才能有另一个线程执行。

  在Java中,我们将共享的资源置于一个对象中,比如下面r(Reservoir)对象。它包含了总共的票数;将可能造成竞争条件的,针对共享资源的操作,放在synchronized(同步)方法中,比如下面的sellTicket()。synchronized是方法的修饰符。在Java中,同一对象的synchronized方法只能同时被一个线程调用。其他线程必须等待该线程调用结束,(余下的线程之一)才能运行。这样,我们就排除了竞争条件的可能。

  在main()方法中,我们将共享的资源(r对象)传递给多个线程:

  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);

  }

  }

  (Math.random()用于产生随机数)

  Java的每个对象都自动包含有一个用于支持同步的计数器,记录synchronized方法的调用次数。线程获得该计数器,计数器加1,并执行synchronized方法。如果方法内部进一步调用了该对象的其他synchronized方法,计数器加1。当synchronized方法调用结束并退出时,计数器减1。其他线程如果也调用了同一对象的synchronized方法,必须等待该计数器变为0,才能锁定该计数器,开始执行。Java中的类同样也是对象(Class类对象)。Class类对象也包含有计数器,用于同步。

  关键代码

  上面,我们利用synchronized修饰符同步了整个方法。我们可以同步部分代码,而不是整个方法。这样的代码被称为关键代码(critical section)。我们使用下面的语法:

  synchronized (syncObj) {

  ...;

  }

  花括号中包含的是想要同步的代码,syncObj是任意对象。我们将使用syncObj对象中的计数器,来同步花括号中的代码。