线程与并行编程【总结】

清疚 2022-05-31 05:21 214阅读 0赞

**1. 程序、进程与线程的关系？**

答：程序是一段静态的代码，是应用软件执行的蓝本。 进程是程序一次动态执行过程，它对应从代码加载、执行到执行完毕的一个完成过程。同一段程序可以被对此加载到系统的不同内存区域分别执行，形成不同的进程。 线程是比进程更小的执行单位。一个进程在执行过程中，可以产生多个进程，形成多条执行线索。进程和线程都是动态的，都有本身的产生、存在和消亡的过程。

每个进程都有一段专用的内存区域，并以PCB(进程控制块)作为它存在的标志。而线程间可以共享相同的内存单元（包括代码块和数据），并利用这些共享单元来实现数据交换、实时通信与必要的同步操作。

**2. 创建进程对象的两种方法？**

答：

*  通过继承Thread类：从Thread派生出一个新类，加入属性和方法，同时覆盖run( )方法，使用start( )方法即可启动该线程。例如：

public class TestThread1 {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		Thread thread=new MyThread();
    		thread.start();
    	}
    }
    class MyThread extends Thread{
    	public void run() {
    		for(int i=0;i<10;i++) {
    			System.out.println(i);
    		}
    	}
    }

*  通过向Thread( )构造方法传递Runnable( )对象，例如：

public class TestThread2 {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		MyTask mytask=new MyTask(13);
    		Thread thread=new Thread(mytask);
    		thread.start();
    	}
    }
    class MyTask implements Runnable{
    	private int n;
    	public MyTask(int n) {
    		this.n=n;
    	}
    	public void run() {
    		for(int i=0;i<n;i++) {
    			System.out.println(i);
    			try {
    				Thread.sleep(500);
    				//表示线程等待（休眠）500毫秒，休眠过程可能被中断，故要捕获异常
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    	}
    }

两种方法的比较：直接使用Thread类，编写简单，但不能再继承其他类；使用Runnable接口，可以将Thread类与要处理的任务的类分开，还可以继承其它类。

**3. 多线程的创建？**

答：一个程序的多个线程可以同时运行，可以共享代码及数据。如下例子中，共建了7个线程，前6个共享相同的代码，前三个共享对象r1，后三个共享对象r2，最后一个线程无穷循环显示当前的时间。从程序可看出几个线程同时运行的情况。

import java.text.SimpleDateFormat;
    import java.util.Date;
    
    public class TestThread3 {
    	
    	public static void main(String[] args) {
    		Runner r1=new Runner(1);
    		Thread t1=new Thread(r1);
    		Thread t2=new Thread(r1);
    		Thread t3=new Thread(r1);
    		
    		Runner r2=new Runner(10);
    		Thread t4=new Thread(r2);
    		Thread t5=new Thread(r2);
    		Thread t6=new Thread(r2);
    		
    		Timer timer=new Timer();
    		Thread t7=new Thread(timer);
    		
    		t1.start();
    		t2.start();
    		t3.start();
    		t4.start();
    		t5.start();
    		t6.start();
    		t7.start();
    	}
    }
    class Runner implements Runnable{
    	int id;
    	Runner(int id) {
    		this.id=id;
    	}
    	public void run() {
    		int i=0;
    		while(true) {
    			i++;
    			System.out.println("ID:"+id+" No. "+i);
    			try {
    				Thread.sleep(500);
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    	}
    }
    class Timer implements Runnable{
    	public void run() {
    		while(true) {
    			System.out.println(new SimpleDateFormat().
    					format(new Date()));
    			try {
    				Thread.sleep(1000);
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    	}
    }

结果：

ID:1 No. 1
    ID:10 No. 1
    ID:1 No. 1
    ID:1 No. 1
    ID:10 No. 1
    ID:10 No. 1
    18-2-8 下午2:44
    ID:1 No. 2
    ID:1 No. 2
    ID:1 No. 2
    ID:10 No. 2
    ID:10 No. 2
    ID:10 No. 2
    ID:1 No. 3
    ID:10 No. 3
    ID:10 No. 3
    ID:1 No. 3
    ID:10 No. 3
    ID:1 No. 3
    18-2-8 下午2:44
    ID:1 No. 4
    ID:10 No. 4
    ID:10 No. 4
    ID:10 No. 4
    ID:1 No. 4
    ID:1 No. 4
    ID:1 No. 5
    ID:10 No. 5
    ID:10 No. 5
    ID:10 No. 5
    ID:1 No. 5
    ID:1 No. 5
    18-2-8 下午2:44
    ...

**4. Timer类的使用？**

答：对于需要每个一定时间重复执行代码的任务，可以用线程来实现，不过也可以用JDk1.5以上版本提供java.util.Timer来实现。

import java.util.Date;
    import java.util.Timer;
    import java.util.TimerTask;
    
    class MyTimerTask extends TimerTask{
    	public static void main(String[] args) {
    		Timer timer=new Timer("Show n");
    		TimerTask task=new MyTimerTask();
    		timer.schedule(task, 1000,1000);
    		//前一个1000表示第一个执行以前套要等待的时间，后一个1000
    		//表示每两次执行的时间间隔，单位为毫秒
    	}
    	int n=0;
    	public void run() {
    		n++;
    		System.out.print(new Date());
    		System.out.println("---"+n);
    	}
    }

**5. 对线程的控制？**

答：

1）结束线程：给线程设定标记变量来决定终止。

import java.util.Date;
    
    public class ThreadTerminateByFlag {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		Timer1 timer=new Timer1();
    		Thread thread=new Thread(timer);
    		thread.setName("Timer");
    		thread.start();
    		for(int i=0;i<15;i++) {
    			System.out.print(i+" ");
    			try {
    				thread.sleep(500);
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    		timer.stopRun();
    	}
    
    }
    class Timer1 implements Runnable {
    	boolean flag=true;
    	public void run() {
    		while(flag) {
    			System.out.println("---"+new Date());
    			try {
    				Thread.sleep(1000);
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" Stop");
    	}
    	public void stopRun() {
    		flag=false;
    	}
    }

结果：

0 ---Thu Feb 08 16:07:17 CST 2018
    1 2 ---Thu Feb 08 16:07:18 CST 2018
    3 4 ---Thu Feb 08 16:07:19 CST 2018
    5 6 ---Thu Feb 08 16:07:20 CST 2018
    7 8 ---Thu Feb 08 16:07:21 CST 2018
    9 10 ---Thu Feb 08 16:07:22 CST 2018
    11 12 ---Thu Feb 08 16:07:23 CST 2018
    13 14 ---Thu Feb 08 16:07:24 CST 2018
    Timer Stop

2）暂时阻止线程的执行：

*  sleep( )方法，可以给优先级较低的线程以执行的机会。
 *  join( )方法，可以将一个线程加入到本线程中，本线程的执行会等另一线程执行的完毕。

public class ThreadJoin {
    	public static void main(String[] args) {
    		Runner1 runner=new Runner1();
    		Thread thread=new Thread(runner);
    		thread.start();
    //		try {
    //			thread.join();
    //		}catch (InterruptedException e) {}
    		for(int i=100;i<110;i++) {
    			System.out.println("\t"+i);
    			try {
    				thread.sleep(100);
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    	}
    }
    class Runner1 implements Runnable{
    	public void run() {
    		for(int i=0;i<10;i++) {
    			System.out.println(i);
    			try {
    				Thread.sleep(100);
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    	}
    }

若没有join( )，则两个线程同时进行，结果如下：

100
    0
    	101
    1
    	102
    2
    	103
    3
    	104
    4
    	105
    5
    	106
    6
    	107
    7
    	108
    8
    9
    	109

若将join( )加上，主程序的线程会等待Runner1的线程执行完毕再进行，结果如下：

0
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    	100
    	101
    	102
    	103
    	104
    	105
    	106
    	107
    	108
    	109

3）设定线程优先级：需要注意的是，新建线程将继承创建它的父线程的优先级，一边情况下，主线程具有普通优先级，可以通过调用Thread类的方法setPriority( ) 来修改优先级。

public class TestThreadPriority {
    	public static void main(String[] args) {
    		Thread t1=new Thread(new Runner2("我"));
    		Thread t2=new Thread(new Runner2("你"));
    		Thread t3=new Thread(new Runner2("他"));
    //		t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);//最小优先级
    //		t2.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);//普通优先级
    //		t3.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);//最高优先级
    		t1.start();
    		t2.start();
    		t3.start();
    	}
    }
    class Runner2 implements Runnable{
    	String id;
    	Runner2(String id){
    		this.id=id;
    	}
    	public void run() {
    		for(int i=0;i<50;i++) {
    			if(i%10==0) System.out.println();
    			Thread.currentThread().yield();
    			System.out.print(id);
    		}
    	}
    }

当三个线程具有相同优先级时：

你我他你我他你我他你我他你我他你我他你我他你我他你我他你
    我
    他
    你我他你我他你我他你我他你我他你他我他我他你我你他我你他
    我
    你
    他我你我他你我他你我他你我你他你我你他我你他你我你
    他我你他我
    你他
    我你你他我你他我你他我你他我你他我你他我你
    他我你他我你他我
    你我他
    我他你我他你我他你我他你我他你我他你我他你我他我他他

当线程具有不同优先级时：

他他他他他他他他他他
    你他他他他他他他他你他他
    他他他他他你他他他他他
    他你他他他他他他你他他你他
    他他你他他你他你他你
    他你他你他他你你你你你
    你我你我你
    我你我你我你我你你你我你我你我你我
    你
    你我你我你我你你你你你你你
    我你你你我你你我你你你我你你我我我
    我我我我我我我我我我
    我我我我我我我我我我
    我我我我我我我我我我

注意到，相同优先级一般遵循先到先服务的原则，但是不一定十分严格，这取决于Java虚拟机的实际情况。

4）设定Daemon线程：线程分为Daemon线程（后台线程、守护线程）和非Daemon线程，在Java程序中，若还有非Daemon线程，程序不会结束；当线程都是守护线程时，Java虚拟机退出。简单地说，主线程会强制结束守护线程。

import java.util.Date;
    
    public class TestThreadDaemon {
    	public static void main(String[] args) {
    		Thread thread=new MyThread3();
    		thread.setDaemon(true);
    		thread.start();
    		
    		System.out.println("Main--"+new Date());
    		try {
    			Thread.sleep(500);
    		}catch (InterruptedException e) {}
    		System.out.println("Main End");
    	}
    }
    class MyThread3 extends Thread{
    	public void run() {
    		for(int i=0;i<10;i++) {
    			System.out.println(i+"--"+new Date());
    			try{
    				Thread.sleep(100);
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    	}
    }

主线程只运行500ms，而Daemon线程在显示5行后就被停止了，结果如下：

Main--Thu Feb 08 17:28:13 CST 2018
    0--Thu Feb 08 17:28:13 CST 2018
    1--Thu Feb 08 17:28:13 CST 2018
    2--Thu Feb 08 17:28:13 CST 2018
    3--Thu Feb 08 17:28:13 CST 2018
    4--Thu Feb 08 17:28:13 CST 2018
    Main End

注意，垃圾回收线程是后台线程，且其优先级很低。

**6. synchronized关键字？**

答：前面的线程都是独立的，异步执行的，即每个线程都包含了运行时所需要的数据或方法，但是经常要有一些同时运行的线程需要共享数据，例如一个线程向文件写数据，同时另一个线程从同一文件中读取数据等。下面例子两线程共用同一资源，Counter线程操作对象num，线程中调用increase()方法，使得x、y同时增加，在main()中调用testEquals()方法以检查x、y是否相等：

public class SyncCounter1 {
    	public static void main(String[] args) {
    		Num num=new Num();
    		Thread counter1=new Counter(num);
    		Thread counter2=new Counter(num);
    		for(int i=0;i<10;i++) {
    			num.testEquals();
    			try {
    				Thread.sleep(100);
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    	}
    }
    class Num{
    	private int x=0;
    	private int y=0;
    	synchronized void increase() {
    		x++; y++;
    	}
    	synchronized void testEquals() {
    		System.out.println(x+","+y+":"+(x==y));
    	}
    }
    class Counter extends Thread{
    	private Num num;
    	Counter(Num num){
    		this.num=num;
    		this.start();
    	}
    	public void run() {
    		while(true) {
    			num.increase();
    		}
    	}
    }

increase( )方法和testEquals( )方法使用关键字synchronized修饰时，结果如下：

0,0:true
    2791947,2791947:true
    5157509,5157509:true
    6209361,6209361:true
    7640346,7640346:true
    9442662,9442662:true
    11938149,11938149:true
    14724821,14724821:true
    16210786,16210786:true
    18819344,18819344:true

不使用synchronized时，

0,0:true
    2219421,2223885:false
    32105246,32115098:false
    74136253,74146104:false
    121855709,121889105:false
    152650141,152660034:false
    188824337,188838074:false
    210344800,210359524:false
    241558281,241596777:false
    294029878,294044628:false

从结果中可看到，大部分时间内x、y并不相等，问题是，当一个线程执行了x++而未执行y++时，系统调度到另一个线程执行 x++及y++，就会出现x、y不相等的情况。 而加入关键字synchronized，防止了两个线程访问相同资源时的冲突，调用任何synchronized方法时，对象就会被锁定，不可再调用那个对象的其它任何synchronized方法，除非第一个方法完成了自己的工作，并解除锁定。

**7. 线程间的同步控制？**

答：以“生产者-消费者问题”这个一般性模型来谈论线程间的同步控制问题，系统中使用某类资源的线程称为消费者，产生或释放的同类资源的线程称为生产者。例如，生产者产生从0~9的整数，将它们储存在名为“CubbyHole ”的对象中并打印，然后调用sleep( )方法使生产者线程在一个随机产生的0~100秒的时间段内休息，同时消费者通过get( )方法取得数据并输出。

class CubbyHole{
    	private int seq;
    //	private boolean available=false;
    	
    	public synchronized int get() {
    //		while(available==false) {
    //			try {
    //				wait();//waits for notify() call from Producer
    //			}catch (InterruptedException e) {}
    //		}
    //		available=false;
    //		notify();
    		return seq;
    	}
    	
    	public synchronized void put(int value) {
    //		while(available==true) {
    //			try {
    //				wait();//waits for notify() from consumer
    //			}catch (InterruptedException e) {}
    //		}
    		seq=value;
    //		available=true;
    //		notify();
    	}
    }
    
    class Producer extends Thread{
    	private CubbyHole cubbyHole;
    	private int number;
    	
    	public Producer(CubbyHole c,int number) {
    		cubbyHole=c;
    		this.number=number;
    	}
    	
    	public void run() {
    		
    		for(int i=0;i<10;i++) {
    			cubbyHole.put(i);
    			System.out.println("Producer#  "+this.number+"\tput:"+i);
    			try {
    				sleep((int)(Math.random()*100));
    			}catch (InterruptedException e) {}
    		}
    	}
    }
    
    class Consumer extends Thread{
    	private CubbyHole cubbyHole;
    	private int number;
    	
    	public Consumer(CubbyHole c,int number) {
    		cubbyHole=c;
    		this.number=number;
    	}
    	
    	public void run() {
    		int value=0;
    		for(int i=0;i<10;i++) {
    			value=cubbyHole.get();
    			System.out.println("Consumer#  "+this.number+"\tgot:"+value);
    		}
    	}
    }
    
    class ProducerConsumerTest {
    	public static void main(String[] args) {
    		CubbyHole c=new CubbyHole();
    		Producer p1=new Producer(c, 1);
    		Consumer c1=new Consumer(c, 1);
    		p1.start();
    		c1.start();
    	}
    }

其中，生产者和消费者通过CubbyHole对象共享数据，若像CubbyHole类中注释掉wait()和notify()方法，程序一结果如下：

Consumer#  1	got:0
    Producer#  1	put:0
    Consumer#  1	got:0
    Consumer#  1	got:0
    Consumer#  1	got:0
    Consumer#  1	got:0
    Consumer#  1	got:0
    Consumer#  1	got:0
    Consumer#  1	got:0
    Consumer#  1	got:0
    Consumer#  1	got:0
    Producer#  1	put:1
    Producer#  1	put:2
    Producer#  1	put:3
    Producer#  1	put:4
    Producer#  1	put:5
    Producer#  1	put:6
    Producer#  1	put:7
    Producer#  1	put:8
    Producer#  1	put:9

说明，生产者和消费者的相对速度不能确定，这不是我们希望的那样：生产者写一个数，消费者就读这个数。所以，要对线程进行同步控制。例子中，重新启用注释部分代码，运行结果如下：

Consumer#  1	got:0
    Producer#  1	put:0
    Producer#  1	put:1
    Consumer#  1	got:1
    Producer#  1	put:2
    Consumer#  1	got:2
    Producer#  1	put:3
    Consumer#  1	got:3
    Producer#  1	put:4
    Consumer#  1	got:4
    Producer#  1	put:5
    Consumer#  1	got:5
    Consumer#  1	got:6
    Producer#  1	put:6
    Producer#  1	put:7
    Consumer#  1	got:7
    Producer#  1	put:8
    Consumer#  1	got:8
    Producer#  1	put:9
    Consumer#  1	got:9