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彻底明白Java的多线程-实现多线程及线程的同步2006-05-11 15:41:00

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一. 实现多线程

1. 虚假的多线程
例1:

public class TestThread { int i=0, j=0; public void go(int flag){ while(true){ try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } if(flag==0) i++; System.out.println("i=" + i); } else{ j++; System.out.println("j=" + j); } } } public static void main(String[] args){ new TestThread().go(0); new TestThread().go(1); }}

上面程序的运行结果为:
i=1
i=2
i=3
。。。
结果将一直打印出I的值。我们的意图是当在while循环中调用sleep()时,另一个线程就将起动,打印出j的值,但结果却并不是这样。关于sleep()为什么不会出现我们预想的结果,在下面将讲到。
2. 实现多线程
通过继承class Thread或实现Runnable接口,我们可以实现多线程
2.1 通过继承class Thread实现多线程
class Thread中有两个最重要的函数run()和start()。
1) run()函数必须进行覆写,把要在多个线程中并行处理的代码放到这个函数中。
2) 虽然run()函数实现了多个线程的并行处理,但我们不能直接调用run()函数,而是通过调用start()函数来调用run()函数。在调用start()的时候,start()函数会首先进行与多线程相关的初始化(这也是为什么不能直接调用run()函数的原因),然后再调用run()函数。
例2:

public class TestThread extends Thread{ private static int threadCount = 0; private int threadNum = ++threadCount; private int i = 5; public void run(){ while(true){ try{ Thread.sleep(100);  } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } System.out.println("Thread " + threadNum + " = " + i); if(--i==0) return; } } public static void main(String[] args){ for(int i=0; i<5; i++) new TestThread().start(); }}

运行结果为:
Thread 1 = 5
Thread 2 = 5
Thread 3 = 5
Thread 4 = 5
Thread 5 = 5
Thread 1 = 4
Thread 2 = 4
Thread 3 = 4
Thread 4 = 4
Thread 1 = 3
Thread 2 = 3
Thread 5 = 4
Thread 3 = 3
Thread 4 = 3
Thread 1 = 2
Thread 2 = 2
Thread 5 = 3
Thread 3 = 2
Thread 4 = 2
Thread 1 = 1
Thread 2 = 1
Thread 5 = 2
Thread 3 = 1
Thread 4 = 1
Thread 5 = 1
从结果可见,例2能实现多线程的并行处理。
**:在上面的例子中,我们只用new产生Thread对象,并没有用reference来记录所产生的Thread对象。根据垃圾回收机制,当一个对象没有被reference引用时,它将被回收。但是垃圾回收机制对Thread对象“不成立”。因为每一个Thread都会进行注册动作,所以即使我们在产生Thread对象时没有指定一个reference指向这个对象,实际上也会在某个地方有个指向该对象的reference,所以垃圾回收器无法回收它们。
3) 通过Thread的子类产生的线程对象是不同对象的线程

class TestSynchronized extends Thread{ public TestSynchronized(String name){ super(name); } public synchronized static void prt(){ for(int i=10; i<20; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } } public synchronized void run(){ for(int i=0; i<3; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized t1 = new TestSynchronized("t1"); TestSynchronized t2 = new TestSynchronized("t2"); t1.start(); t1.start(); //(1) //t2.start(); (2) }}

运行结果为:
t1 : 0
t1 : 1
t1 : 2
t1 : 0
t1 : 1
t1 : 2
由于是同一个对象启动的不同线程,所以run()函数实现了synchronized。如果去掉(2)的注释,把代码(1)注释掉,结果将变为:
t1 : 0
t2 : 0
t1 : 1
t2 : 1
t1 : 2
t2 : 2
由于t1和t2是两个对象,所以它们所启动的线程可同时访问run()函数。
2.2 通过实现Runnable接口实现多线程
如果有一个类,它已继承了某个类,又想实现多线程,那就可以通过实现Runnable接口来实现。
1) Runnable接口只有一个run()函数。
2) 把一个实现了Runnable接口的对象作为参数产生一个Thread对象,再调用Thread对象的start()函数就可执行并行操作。如果在产生一个Thread对象时以一个Runnable接口的实现类的对象作为参数,那么在调用start()函数时,start()会调用Runnable接口的实现类中的run()函数。
例3.1:

public class TestThread implements Runnable{ private static int threadCount = 0; private int threadNum = ++threadCount; private int i = 5; public void run(){ while(true){ try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } System.out.println("Thread " + threadNum + " = " + i); if(--i==0) return; } } public static void main(String[] args){ for(int i=0; i<5; i++) new Thread(new TestThread()).start(); //(1) }}

运行结果为:
Thread 1 = 5
Thread 2 = 5
Thread 3 = 5
Thread 4 = 5
Thread 5 = 5
Thread 1 = 4
Thread 2 = 4
Thread 3 = 4
Thread 4 = 4
Thread 4 = 3
Thread 5 = 4
Thread 1 = 3
Thread 2 = 3
Thread 3 = 3
Thread 4 = 2
Thread 5 = 3
Thread 1 = 2
Thread 2 = 2
Thread 3 = 2
Thread 4 = 1
Thread 5 = 2
Thread 1 = 1
Thread 2 = 1
Thread 3 = 1
Thread 5 = 1
例3是对例2的修改,它通过实现Runnable接口来实现并行处理。代码(1)处可见,要调用TestThread中的并行操作部分,要把一个TestThread对象作为参数来产生Thread对象,再调用Thread对象的start()函数。
3) 同一个实现了Runnable接口的对象作为参数产生的所有Thread对象是同一对象下的线程。
例3.2:

package mypackage1;public class TestThread implements Runnable{ public synchronized void run(){ for(int i=0; i<5; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } } public static void main(String[] args){ TestThread testThread = new TestThread(); for(int i=0; i<5; i++) //new Thread(testThread, "t" + i).start(); (1) new Thread(new TestThread(), "t" + i).start(); (2) }}

运行结果为:
t0 : 0
t1 : 0
t2 : 0
t3 : 0
t4 : 0
t0 : 1
t1 : 1
t2 : 1
t3 : 1
t4 : 1
t0 : 2
t1 : 2
t2 : 2
t3 : 2
t4 : 2
t0 : 3
t1 : 3
t2 : 3
t3 : 3
t4 : 3
t0 : 4
t1 : 4
t2 : 4
t3 : 4
t4 : 4
由于代码(2)每次都是用一个新的TestThread对象来产生Thread对象的,所以产生出来的Thread对象是不同对象的线程,所以所有Thread对象都可同时访问run()函数。如果注释掉代码(2),并去掉代码(1)的注释,结果为:
t0 : 0
t0 : 1
t0 : 2
t0 : 3
t0 : 4
t1 : 0
t1 : 1
t1 : 2
t1 : 3
t1 : 4
t2 : 0
t2 : 1
t2 : 2
t2 : 3
t2 : 4
t3 : 0
t3 : 1
t3 : 2
t3 : 3
t3 : 4
t4 : 0
t4 : 1
t4 : 2
t4 : 3
t4 : 4
由于代码(1)中每次都是用同一个TestThread对象来产生Thread对象的,所以产生出来的Thread对象是同一个对象的线程,所以实现run()函数的同步。

二. 共享资源的同步

1. 同步的必要性
例4:

class Seq{ private static int number = 0; private static Seq seq = new Seq(); private Seq() {} public static Seq getInstance(){ return seq; } public int get(){ number++;  //(a) return number; //(b) }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ Seq.getInstance().get(); //(1) Seq.getInstance().get(); //(2) }}

上面是一个取得序列号的单例模式的例子,但调用get()时,可能会产生两个相同的序列号:
当代码(1)和(2)都试图调用get()取得一个唯一的序列。当代码(1)执行完代码(a),正要执行代码(b)时,它被中断了并开始执行代码(2)。一旦当代码(2)执行完(a)而代码(1)还未执行代码(b),那么代码(1)和代码(2)就将得到相同的值。
2. 通过synchronized实现资源同步
2.1 锁标志
2.1.1 每个对象都有一个标志锁。当对象的一个线程访问了对象的某个synchronized数据(包括函数)时,这个对象就将被“上锁”,所以被声明为synchronized的数据(包括函数)都不能被调用(因为当前线程取走了对象的“锁标志”)。只有当前线程访问完它要访问的synchronized数据,释放“锁标志”后,同一个对象的其它线程才能访问synchronized数据。
2.1.2 每个class也有一个“锁标志”。对于synchronized static数据(包括函数)可以在整个class下进行锁定,避免static数据的同时访问。
例5:

class Seq{ private static int number = 0; private static Seq seq = new Seq(); private Seq() {} public static Seq getInstance(){ return seq; } public synchronized int get(){ //(1) number++; return number; }}

例5在例4的基础上,把get()函数声明为synchronized,那么在同一个对象中,就只能有一个线程调用get()函数,所以每个线程取得的number值就是唯一的了。
例6:

class Seq{ private static int number = 0; private static Seq seq = null; private Seq() {}synchronized public static Seq getInstance(){ //(1) if(seq==null) seq = new Seq();return seq; } public synchronized int get(){ number++; return number; }}

例6把getInstance()函数声明为synchronized,那样就保证通过getInstance()得到的是同一个seq对象。
2.2 non-static的synchronized数据只能在同一个对象的纯种实现同步访问,不同对象的线程仍可同时访问。
例7:

class TestSynchronized implements Runnable{ public synchronized void run(){ //(1) for(int i=0; i<10; i++){System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);/*(2)*/ try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized r1 = new TestSynchronized(); TestSynchronized r2 = new TestSynchronized(); Thread t1 = new Thread(r1, "t1"); Thread t2 = new Thread(r2, "t2"); //(3) //Thread t2 = new Thread(r1, "t2"); (4) t1.start(); t2.start(); }}

运行结果为:
t1 : 0
t2 : 0
t1 : 1
t2 : 1
t1 : 2
t2 : 2
t1 : 3
t2 : 3
t1 : 4
t2 : 4
t1 : 5
t2 : 5
t1 : 6
t2 : 6
t1 : 7
t2 : 7
t1 : 8
t2 : 8
t1 : 9
t2 : 9
虽然我们在代码(1)中把run()函数声明为synchronized,但由于t1、t2是两个对象(r1、r2)的线程,而run()函数是non-static的synchronized数据,所以仍可被同时访问(代码(2)中的sleep()函数由于在暂停时不会释放“标志锁”,因为线程中的循环很难被中断去执行另一个线程,所以代码(2)只是为了显示结果)。
如果把例7中的代码(3)注释掉,并去年代码(4)的注释,运行结果将为:
t1 : 0
t1 : 1
t1 : 2
t1 : 3
t1 : 4
t1 : 5
t1 : 6
t1 : 7
t1 : 8
t1 : 9
t2 : 0
t2 : 1
t2 : 2
t2 : 3
t2 : 4
t2 : 5
t2 : 6
t2 : 7
t2 : 8
t2 : 9
修改后的t1、t2是同一个对象(r1)的线程,所以只有当一个线程(t1或t2中的一个)执行run()函数,另一个线程才能执行。
2.3 对象的“锁标志”和class的“锁标志”是相互独立的。
例8:

class TestSynchronized extends Thread{ public TestSynchronized(String name){ super(name); } public synchronized static void prt(){ for(int i=10; i<20; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } } public synchronized void run(){ for(int i=0; i<10; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized t1 = new TestSynchronized("t1"); TestSynchronized t2 = new TestSynchronized("t2"); t1.start(); t1.prt(); //(1) t2.prt(); //(2) }}

运行结果为:
main : 10
t1 : 0
main : 11
t1 : 1
main : 12
t1 : 2
main : 13
t1 : 3
main : 14
t1 : 4
main : 15
t1 : 5
main : 16
t1 : 6
main : 17
t1 : 7
main : 18
t1 : 8
main : 19
t1 : 9
main : 10
main : 11
main : 12
main : 13
main : 14
main : 15
main : 16
main : 17
main : 18
main : 19

在代码(1)中,虽然是通过对象t1来调用prt()函数的,但由于prt()是静态的,所以调用它时不用经过任何对象,它所属的线程为main线程。
由于调用run()函数取走的是对象锁,而调用prt()函数取走的是class锁,所以同一个线程t1(由上面可知实际上是不同线程)调用run()函数且还没完成run()函数时,它就能调用prt()函数。但prt()函数只能被一个线程调用,如代码(1)和代码(2),即使是两个不同的对象也不能同时调用prt()。
3. 同步的优化
1) synchronized block
语法为:synchronized(reference){ do this }
reference用来指定“以某个对象的锁标志”对“大括号内的代码”实施同步控制。
例9:

class TestSynchronized implements Runnable{ static int j = 0; public synchronized void run(){for(int i=0; i<5; i++){ //(1) System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + j++); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } } } public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized r1 = new TestSynchronized(); TestSynchronized r2 = new TestSynchronized(); Thread t1 = new Thread(r1, "t1"); Thread t2 = new Thread(r1, "t2"); t1.start(); t2.start(); }}

运行结果为:
t1 : 0
t1 : 1
t1 : 2
t1 : 3
t1 : 4
t2 : 5
t2 : 6
t2 : 7
t2 : 8
t2 : 9
上面的代码的run()函数实现了同步,使每次打印出来的j总是不相同的。但实际上在整个run()函数中,我们只关心j的同步,而其余代码同步与否我们是不关心的,所以可以对它进行以下修改:

class TestSynchronized implements Runnable{ static int j = 0; public void run(){ for(int i=0; i<5; i++){ //(1) synchronized(this){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + j++); } try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized r1 = new TestSynchronized(); TestSynchronized r2 = new TestSynchronized(); Thread t1 = new Thread(r1, "t1"); Thread t2 = new Thread(r1, "t2"); t1.start(); t2.start(); }}

运行结果为:
t1 : 0
t2 : 1
t1 : 2
t2 : 3
t1 : 4
t2 : 5
t1 : 6
t2 : 7
t1 : 8
t2 : 9
由于进行同步的范围缩小了,所以程序的效率将提高。同时,代码(1)指出,当对大括号内的println()语句进行同步控制时,会取走当前对象的“锁标志”,即对当前对象“上锁”,不让当前对象下的其它线程执行当前对象的其它synchronized数据。

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