Java 程序中的多线程

为什么会排队等待span>

下面的这个简单的 Java 程序完成四项不相关的任务。这样的程序有单个控制线程，控制在这四个任务之间线性地移动。此外，因为所需的资源 ― 打印机、磁盘、数据库和显示屏 — 由于硬件和软件的限制都有内在的潜伏时间，所以每项任务都包含明显的等待时间。因此，程序在访问庵氨匦氲却蛴』瓿纱蛴∥募娜挝瘢鹊取Ｈ绻诘却绦虻耐瓿桑蛘馐嵌约扑阕试春湍氖奔涞囊恢肿玖邮褂谩８慕顺绦虻囊恢址椒ㄊ鞘顾晌嘞叱痰摹>

四项不相关的任务

在本例中，每项任务在开始之前必须等待前一项任务完成，即使所涉及的任务毫不相关也是这样。但是，在现实生活中，我们经常使用多线程模型。我们在处理某些任务的同时也可以让孩子、配偶和父母完成别的任务。例如，我在写信的同时可能打发我的儿子去邮局买邮票。用软件术语獬莆喔隹刂疲ɑ蛑葱校┫叱獭>

可以用两种不同的方法来获得多个控制线程：

• 多个进程
  在大多数操作系统中都可以创建多个进程。当一个程序启动时，它可以为即将开始的每项任务创建一个进程，并允许它们同时运行。当一个程序因等待 络访问或用户输入而被阻塞时，另一个程序还可以运行，这样就增加了资源利用率。但是，按照这种方式创建每个进程要付出一定的代价：设置一个进程要占用相当一部分处理器时间和内存资源。而且，大多数操作系统不允许进程访问其他进程的内存空间。因此，进程间的通信很不方便，并且也不会将它自己提供给容易的编程模型。
• 线程
  线程也称为轻型进程 (LWP)。因为线程只能在单个进程的作用域内活动，所以创建线程比创建进程要廉价得多。这样，因为线程允许协作和数据交换，并且在计算资源方面非常廉价，所以线程比进程更可取。线程需要操作系统的支持，因此不是所有的机器都提供线程。Java 编程语言，作为相当新的一种语言，已将线程支持与语言本身合为一体，这样就对线程提供了强健的支持。

Java 编程语言中的高级多线程支持

线程组
线程是被个别创建的，但可以将它们归类到 线程组中，以便于调试和监视。只能在创建线程的同时将它与一个线程组相关联。在使用大量线程的程序中，使用线程组组织线程可能很有帮助。可以将它们看作是计算机上的目录和文件结构。

线程间发信
当线程在继续执行前需要等待一个条件时，仅有 synchronized 关键字是不够的。虽然 synchronized 关键字阻止并发更新一个对象，但它没有实现 线程间发信 。Object 类为此提供了三个函数：wait()、notify() 和 notifyAll()。以全球气候预测程序为例。这些程序通过将地球分为许多单元，在每个循环中，每个单元的计算都是隔离进行的，直到这些值趋于稳定，然后相邻单元之间就会交换一些数据。所以，从本质上讲，在每个循环中各个线程都必须等待所有线程完成各自的任务以后才能进入下一个循环。这个模型称为 屏蔽同步，下例说明了这个模型：

屏蔽同步

当对一个线程调用 wait() 时，该线程就被有效阻塞，只到另一个线程对同一个对象调用 notify() 或 notifyAll() 为止。因此，在前一个示例中，不同的线程在完成它们的工作以后将调用 waitForAll() 函数，最后一个线程将触发 notifyAll() 函数，该函数将释放所有的线程。第三tify() 只通知一个正在等待的线程，当对每次只能由一个线程使用的资源进行访问限制时，这个函数很有用。但是，不可能预知哪个线程会获得这个通知，因为这取决于 Java 虚拟机 (JVM) 调度算法。

将 CPU 让给另一个线程
当线程放弃某个稀有的资源（如数据库连接或 络端口）时，它可能调用 yield() 函数临时降低自己的优先级，以便某个其他线程能够运行。

守护线程
有两类线程：用户线程和守护线程。 用户线程是那些完成有用工作的线程。 守护线程 是那些仅提供辅助功能的线程。Thread 类提供了 setDaemon() 函数。Java 程序将运行到所有用户线程终止，然后它将破坏所有的守护线程。在 Java 虚拟机 (JVM) 中，即使在 main 结束以后，如果另一个用户线程仍在运行，则程序仍然可以继续运行。

调试线程化的程序

在线程化的程序中，可能发生的某些常见而讨厌的情况是死锁、活锁、内存损坏和资源耗尽。

死锁
死锁可能是多线程程序最常见的问题。当一个线程需要一个资源而另一个线程持有该资源的锁时，就会发生死锁。这种情况通常很难检测。但是，解决方案却相当好：在所有的线程中按相同的次序获取所有资源锁。例如，如果有四个资源 ―A、B、C 和 D ― 并且一个线程可能要获取四个资源中任何一个资源的锁，则请确保在获取对 B 的锁之前首先获取对 A 的锁，依此类推。如果“线程 1”希望获取对 B 和 C 的锁，而“线程 2”获取了 A、C 和 D 的锁，则这一技术可能导致阻塞，但它永远不会在这四个锁上造成死锁。

活锁
当一个线程忙于接受新任务以致它永远没有机会完成任何任务时，就会发生活锁。这个线程最终将超出缓冲区并导致程序崩溃。试想一个秘书需要录入一封信，但她一直在忙于接电话，所以这封信永远不会被录入。

内存损坏
如果明智地使用 synchronized 关键字，则完全可以避免内存错误这种气死人的问题。

资源耗尽
某些系统资源是有限的，如文件描述符。多线程程序可能耗尽资源，因为每个线程都可能希望有一个这样的资源。如果线程数相当大，或者某个资源的侯选线程数远远超过了可用的资源数，则最好使用 资源池。一个最好的示例是数据库连接池。只要线程需靡桓鍪菘饬樱痛映刂腥〕鲆桓觯褂靡院笤俳祷爻刂小Ｗ试闯匾渤莆m>资源库。

限制线程优先级和调度

Java 线程模型涉及可以动态更改的线程优先级。本质上，线程的优先级是从 1 到 10 之间的一个数字，数字越大表明任务越紧急。JVM 标准首先调用优先级较高的线程，然后才调用优先级较低的线程。但是，该标准对具有相同优先级的线程的处理是随机的。如何处理这些线程取决于基僮飨低巢呗浴Ｔ谀承┣榭鱿拢畔燃断嗤南叱谭质痹诵校辉诹硪恍┣榭鱿拢叱探恢痹诵械浇崾Ｇ爰亲。琂ava 支持 10 个优先级，基层操作系统支持的优先级可能要少得多，这样会造成一些混乱。因此，只能将优先级作为一种很粗略的工具使用。最后的控制可以通过明智地使用 yield() 函数来完成。通常情况下，请不要依靠线程优先级来控制线程的状态。

小结

• 使用多线程不会增加 CPU 的能力。但是如果使用 JVM 的本地线程实现，则不同的线程可以在不同的处理器上同时运行（在多 CPU 的机器中），从而使多 CPU 机器得到充分利用。
• 如果应用程序是计算密集型的，并受 CPU 功能的制约，则只有多 CPU 机器能够从更多的线程中受益。
• 当应用程序必须等待缓慢的资源（如 络连接或数据库连接）时，或者当应用程序是非交互式的时，多线程通常是有利的。

基于 Internet 的软件有必要是多线程的；否则，用户将感觉应用程序反映迟钝。例如，当开发要支持大量客户机的服务器时，多线程可以使编程较为容易。在这种情况下，每个线程可以为不同的客户或客户组服务，从而缩短了响应时间。

某些程序员可能在 C 和其他语言中使用过线程，在那些语言中对线程没有语言支持。这些程序员可能通常都被搞得对线程失去了信心。

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