第14章 多线程

第14章多线程利用对象，可将一个程序分割成相互独立的区域。我们通常也需要将一个程序转换成多个独立运行的子任务。象这样的每个子任务都叫作一个“线程”（Thread）。编写程序时，可将每个线程都想象成独立运行，而且都有自己的专用CPU。一些基础机制实际会为我们自动分割CPU的时间。我们通常不必关心这些细节问题，所以多线程的代码编写是相当简便的。这时理解一些定义对以后的学习狠有帮助。“进程”是指一种“自包容”的运行程序，有自己的地址空间。“多任务”操作系统能同时运行多个进程（程序）——但实际是由于CPU分时机制的作用，使每个进程都能循环获得自己的CPU时间片。但由于轮换速度非常快，使得所有程序好象是在“同时”运行一样。“线程”是进程内部单一的一个顺序控制流。因此，一个进程可能容纳了多个同时执行的线程。多线程的应用范围很广。但在一般情况下，程序的一些部分同特定的事件或资源联系在一起，同时又不想为它而暂停程序其他部分的执行。这样一来，就可考虑创建一个线程，令其与那个事件或资源关联到一起，并让它独立于主程序运行。一个很好的例子便是“Quit”或“退出”按钮——我们并不希望在程序的每一部分代码中都轮询这个按钮，同时又希望该按钮能及时地作出响应（使程序看起来似乎经常都在轮询它）。事实上，多线程最主要的一个用途就是构建一个“反应灵敏”的用户界面。14.1反应灵敏的用户界面作为我们的起点，请思考一个需要执行某些CPU密集型计算的程序。由于CPU“全心全意”为那些计算服务，所以对用户的输入十分迟钝，几乎没有什么反应。在这里，我们用一个合成的applet/application（程序片／应用程序）来简单显示出一个计数器的结果：752-753页程序在这个程序中，AWT和程序片代码都应是大家熟悉的，第13章对此已有很详细的交待。go()方法正是程序全心全意服务的对待：将当前的count（计数）值置入TextField（文本字段）t，然后使count增值。go()内的部分无限循环是调用sleep()。sleep()必须同一个Thread（线程）对象关联到一起，而且似乎每个应用程序都有部分线程同它关联（事实上，Java本身就是建立在线程基础上的，肯定有一些线程会伴随我们写的应用一起运行）。所以无论我们是否明确使用了线程，都可利用Thread.currentThread()产生由程序使用的当前线程，然后为那个线程调用sleep()。注意，Thread.currentThread()是Thread类的一个静态方法。注意sleep()可能“掷”出一个InterruptException（中断违例）——尽管产生这样的违例被认为是中止线程的一种“恶意”手段，而且应该尽可能地杜绝这一做法。再次提醒大家，违例是为异常情况而产生的，而不是为了正常的控制流。在这里包含了对一个“睡眠”线程的中断，以支持未来的一种语言特性。一旦按下start按钮，就会调用go()。研究一下go()，你可能会很自然地（就象我一样）认为它该支持多线程，因为它会进入“睡眠”状态。也就是说，尽管方法本身“睡着”了，CPU仍然应该忙于监视其他按钮“按下”事件。但有一个问题，那就是go()是永远不会返回的，因为它被设计成一个无限循环。这意味着actionPerformed()根本不会返回。由于在第一个按键以后便陷入actionPerformed()中，所以程序不能再对其他任何事件进行控制（如果想出来，必须以某种方式“杀死”进程——最简便的方式就是在控制台窗口按Ctrl＋C键）。这里最基本的问题是go()需要继续执行自己的操作，而与此同时，它也需要返回，以便actionPerformed()能够完成，而且用户界面也能继续响应用户的操作。但对象go()这样的传统方法来说，它却不能在继续的同时将控制权返回给程序的其他部分。这听起来似乎是一件不可能做到的事情，就象CPU必须同时位于两个地方一样，但线程可以解决一切。“线程模型”（以及Java中的编程支持）是一种程序编写规范，可在单独一个程序里实现几个操作的同时进行。根据这一机制，CPU可为每个线程都分配自己的一部分时间。每个线程都“感觉”自己好象拥有整个CPU，但CPU的计算时间实际却是在所有线程间分摊的。线程机制多少降低了一些计算效率，但无论程序的设计，资源的均衡，还是用户操作的方便性，都从中获得了巨大的利益。综合考虑，这一机制是非常有价值的。当然，如果本来就安装了多块CPU，那么操作系统能够自行决定为不同的CPU分配哪些线程，程序的总体运行速度也会变得更快（所有这些都要求操作系统以及应用程序的支持）。多线程和多任务是充分发挥多处理机系统能力的一种最有效的方式。14.1.1从线程继承为创建一个线程，最简单的方法就是从Thread类继承。这个类包含了创建和运行线程所需的一切东西。Thread最重要的方法是run()。但为了使用run()，必须对其进行过载或者覆盖，使其能充分按自己的吩咐行事。因此，run()属于那些会与程序中的其他线程“并发”或“同时”执行的代码。下面这个例子可创建任意数量的线程，并通过为每个线程分配一个独一无二的编号（由一个静态变量产生），从而对不同的线程进行跟踪。Thread的run()方法在这里得到了覆盖，每通过一次循环，计数就减1——计数为0时则完成循环（此时一旦返回run()，线程就中止运行）。755页程序run()方法几乎肯定含有某种形式的循环——它们会一直持续到线程不再需要为止。因此，我们必须规定特定的条件，以便中断并退出这个循环（或者在上述的例子中，简单地从run()返回即可）。run()通常采用一种无限循环的形式。也就是说，通过阻止外部发出对线程的stop()或者destroy()调用，它会永远运行下去（直到程序完成）。在main()中，可看到创建并运行了大量线程。Thread包含了一个特殊的方法，叫作start()，它的作用是对线程进行特殊的初始化，然后调用run()。所以整个步骤包括：调用构建器来构建对象，然后用start()配置线程，再调用run()。如果不调用start()——如果适当的话，可在构建器那样做——线程便永远不会启动。下面是该程序某一次运行的输出（注意每次运行都会不同）：756页程序可注意到这个例子中到处都调用了sleep()，然而输出结果指出每个线程都获得了属于自己的那一部分CPU执行时间。从中可以看出，尽管sleep()依赖一个线程的存在来执行，但却与允许或禁止线程无关。它只不过是另一个不同的方法而已。亦可看出线程并不是按它们创建时的顺序运行的。事实上，CPU处理一个现有线程集的顺序是不确定的——除非我们亲自介入，并用Thread的setPriority()方法调整它们的优先级。main()创建Thread对象时，它并未捕获任何一个对象的句柄。普通对象对于垃圾收集来说是一种“公平竞赛”，但线程却并非如此。每个线程都会“注册”自己，所以某处实际存在着对它的一个引用。这样一来，垃圾收集器便只好对它“瞠目以对”了。14.1.2针对用户界面的多线程现在，我们也许能用一个线程解决在Counter1.java中出现的问题。采用的一个技巧便是在一个线程的run()方法中放置“子任务”——亦即位于go()内的循环。一旦用户按下Start按钮，线程就会启动，但马上结束线程的创建。这样一来，尽管线程仍在运行，但程序的主要工作却能得以继续（等候并响应用户界面的事件）。下面是具体的代码：757-759页程序现在，Counter2变成了一个相当直接的程序，它的唯一任务就是设置并管理用户界面。但假若用户现在按下Start按钮，却不会真正调用一个方法。此时不是创建类的一个线程，而是创建SeparateSubTask，然后继续Counter2事件循环。注意此时会保存SeparateSubTask的句柄，以便我们按下onOff按钮的时候，能正常地切换位于SeparateSubTask内部的runFlag（运行标志）。随后那个线程便可启动（当它看到标志的时候），然后将自己中止（亦可将SeparateSubTask设为一个内部类来达到这一目的）。SeparateSubTask类是对Thread的一个简单扩展，它带有一个构建器（其中保存了Counter2句柄，然后通过调用start()来运行线程）以及一个run()——本质上包含了Counter1.java的go()内的代码。由于SeparateSubTask知道自己容纳了指向一个Counter2的句柄，所以能够在需要的时候介入，并访问Counter2的TestField（文本字段）。按下onOff按钮，几乎立即能得到正确的响应。当然，这个响应其实并不是“立即”发生的，它毕竟和那种由“中断”驱动的系统不同。只有线程拥有CPU的执行时间，并注意到标记已发生改变，计数器才会停止。1.用内部类改善代码下面说说题外话，请大家注意一下SeparateSubTask和Counter2类之间发生的结合行为。SeparateSubTask同Counter2“亲密”地结合到了一起——它必须持有指向自己“父”Counter2对象的一个句柄，以便自己能回调和操纵它。但两个类并不是真的合并为单独一个类（尽管在下一节中，我们会讲到Java确实提供了合并它们的方法），因为它们各自做的是不同的事情，而且是在不同的时间创建的。但不管怎样，它们依然紧密地结合到一起（更准确地说，应该叫“联合”），所以使程序代码多少显得有些笨拙。在这种情况下，一个内部类可以显著改善代码的“可读性”和执行效率：759-761页程序这个SeparateSubTask名字不会与前例中的SeparateSubTask冲突——即使它们都在相同的目录里——因为它已作为一个内部类隐藏起来。大家亦可看到内部类被设为private（私有）属性，这意味着它的字段和方法都可获得默认的访问权限（run()除外，它必须设为public，因为它在基础类中是公开的）。除Counter2i之外，其他任何方面都不可访问private内部类。而且由于两个类紧密结合在一起，所以很容易放宽它们之间的访问限制。在SeparateSubTask中，我们可看到invertFlag()方法已被删去，因为Counter2i现在可以直接访问runFlag。此外，注意SeparateSubTask的构建器已得到了简化——它现在唯一的用外就是启动线程。Counter2i对象的句柄仍象以前那样得以捕获，但不再是通过人工传递和引用外部对象来达到这一目的，此时的内部类机制可以自动照料它。在run()中，可看到对t的访问是直接进行的，似乎它是SeparateSubTask的一个字段。父类中的t字段现在可以变成private，因为SeparateSubTask能在未获任何特殊许可的前提下自由地访问它——而且无论如何都该尽可能地把字段变成“私有”属性，以防来自类外的某种力量不慎地改变它们。无论在什么时候，只要注意到类相互之间结合得比较紧密，就可考虑利用内部类来改善代码的编写与维护。14.1.3用主类合并线程在上面的例子中，我们看到线程类（Thread）与程序的主类（Main）是分隔开的。这样做非常合理，而且易于理解。然而，还有另一种方式也是经常要用到的。尽管它不十分明确，但一般都要更简洁一些（这也解释了它为什么十分流行）。通过将主程序类变成一个线程，这种形式可将主程序类与线程类合并到一起。由于对一个GUI程序来说，主程序类必须从Frame或Applet继承，所以必须用一个接口加入额外的功能。这个接口叫作Runnable，其中包含了与Thread一致的基本方法。事实上，Thread也实现了Runnable，它只指出有一个run()方法。对合并后的程序／线程来说，它的用法不是十分明确。当我们启动程序时，会创建一个Runnable（可运行的）对象，但不会自行启动线程。线程的启动必须明确进行。下面这个程序向我们演示了这一点，它再现了Counter2的功能：762-763页程序1现在run()位于类内，但它在i