Java多線程機(jī)制及其在socket編程中的應(yīng)用

鄭逸凡

（福州外語(yǔ)外貿(mào)學(xué)院，福建 福州 350202）

1 進(jìn)程與線程

在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，比如當(dāng)雙擊某個(gè)可執(zhí)行文件后，系統(tǒng)就創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程專(zhuān)門(mén)執(zhí)行這個(gè)程序的代碼，在執(zhí)行過(guò)程中，進(jìn)程會(huì)申請(qǐng)、持有或釋放操作系統(tǒng)資源（文件、內(nèi)存等）.在操作系統(tǒng)發(fā)展早期，進(jìn)程是資源分配、調(diào)度、執(zhí)行的基本單位，但由于進(jìn)程持有系統(tǒng)資源等，調(diào)度時(shí)系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)很大，于是便出現(xiàn)了輕量級(jí)進(jìn)程——線程.

一個(gè)進(jìn)程可擁有多個(gè)線程，這些線程共享此進(jìn)程所持有的系統(tǒng)資源.現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，調(diào)度、執(zhí)行的基本單位變成了線程，進(jìn)程則還是資源分配的基本單位.由于線程本身幾乎不持有系統(tǒng)資源，在調(diào)度時(shí)系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)就很小.操作系統(tǒng)可以擁有多個(gè)進(jìn)程，感覺(jué)就像多個(gè)程序同時(shí)在執(zhí)行；進(jìn)程可以擁有多個(gè)線程，感覺(jué)就像一個(gè)程序可以同時(shí)做多件事情.

2 Java中的多線程API

多線程編程是指讓程序使用多個(gè)線程同時(shí)分別做一件事情的不同部分，或者同時(shí)做不同的事情，但并不是所有的事情都適合多線程，多線程編程的目的是提高程序執(zhí)行效率、提高人們的工作效率.

2.1 繼承Thread類(lèi)創(chuàng)建線程

在Java中，Thread類(lèi)是所有線程類(lèi)的超類(lèi)，開(kāi)發(fā)人員可以編寫(xiě)一個(gè)類(lèi)繼承Thread，并重寫(xiě)run方法，在run方法里面編寫(xiě)線程將要執(zhí)行的代碼.創(chuàng)建線程對(duì)象后，只需要調(diào)用start()方法即可讓線程進(jìn)入就緒隊(duì)列，等待操作系統(tǒng)調(diào)度.需要特別注意的是調(diào)度具有隨機(jī)性和隨時(shí)性，也就是說(shuō)無(wú)法確定下一次調(diào)度哪個(gè)線程，也無(wú)法確定什么時(shí)刻進(jìn)行調(diào)度.在Java中，繼承Thread類(lèi)創(chuàng)建線程的代碼如下：

public class ThreadTest{

public static void main(String[]args){

MyThread myThread=new MyThread();

myThread.start();

}

}

class MyThread extends Thread{

@Override

public void run(){

System.out.println("自己創(chuàng)建的線程執(zhí)行了");

}

}

2.2 實(shí)現(xiàn)Runnable接口創(chuàng)建線程

除了繼承Thread類(lèi)重寫(xiě)run方法外，在簡(jiǎn)單的情況下，還可通過(guò)實(shí)現(xiàn)Runnable接口的方式編寫(xiě)線程執(zhí)行的代碼，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

Thread thread=new Thread(new Runnable(){

@Override

public void run(){

System.out.println("Runnable接口方式實(shí)現(xiàn)多線程");

}

});

3 線程安全及同步控制

一個(gè)數(shù)據(jù)，如一個(gè)對(duì)象或?qū)ο笾械哪硞€(gè)字段，如果有多個(gè)線程可以同時(shí)訪問(wèn)它，就可能會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題：數(shù)據(jù)錯(cuò)亂、程序出錯(cuò)或其他無(wú)法預(yù)知的問(wèn)題.比如線程1要遍歷一個(gè)list集合，線程2要把這個(gè)list集合清空，如果這兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行就可能會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題.線程同步控制，即使用某種方式使得一個(gè)線程在操作完某個(gè)數(shù)據(jù)前，別的線程無(wú)法操作這個(gè)數(shù)據(jù)，從而避免多個(gè)線程同時(shí)操作一個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而避免線程安全問(wèn)題.

3.1 synchronized同步鎖機(jī)制

在Java中每個(gè)對(duì)象都有一把鎖，同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程持有這把鎖，線程可以使用synchronized關(guān)鍵字向系統(tǒng)申請(qǐng)某個(gè)對(duì)象的鎖，得到鎖之后，別的線程再申請(qǐng)?jiān)撴i時(shí)，就只能等待.持有鎖的線程在這次操作完成后，可以釋放鎖，以便其他線程可以獲得鎖.例如，以synchronized代碼塊實(shí)現(xiàn)同步鎖機(jī)制的主要代碼如下：

Thread thread1=new Thread(new Runnable(){

@Override

public void run(){

synchronized(list){

for(int i=0;i＜list.size();i++){

System.out.println(list.get(i));

}

}

}

});

Thread thread2=new Thread(new Runnable(){

@Override

public void run(){

synchronized(list){

list.clear();

}

}

});

3.2 wait/notify等待/通知機(jī)制

對(duì)于稍復(fù)雜的情況，比如多個(gè)線程需要相互合作有規(guī)律的訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)，就可以使用wait/notify機(jī)制，即等待/通知機(jī)制，也稱(chēng)等待/喚醒機(jī)制.

等待/通知機(jī)制建立在synchronized同步鎖機(jī)制的基礎(chǔ)上，即在同步代碼塊（或同步方法）內(nèi)，如果當(dāng)前線程執(zhí)行了lockObject.wait()（lockObject表示提供鎖的對(duì)象），則當(dāng)前線程立即暫停執(zhí)行，并被放入阻塞隊(duì)列，并向系統(tǒng)歸還所持有的鎖，并在lockObject上等待，直到別的線程調(diào)用lockObject.notify().如果有多個(gè)線程在同一個(gè)對(duì)象上等待，notify()方法只會(huì)隨機(jī)通知一個(gè)等待的線程，也可以使用notifyAll()方法通知所有等待的線程.被通知的線程獲得鎖后會(huì)進(jìn)入就緒隊(duì)列.

3.3 信號(hào)量機(jī)制

假設(shè)線程1需要同時(shí)擁有資源A和資源B才能工作，線程2需要同時(shí)擁有資源A和資源B才能工作，在進(jìn)行同步控制時(shí)有可能出現(xiàn)這種情況：線程1擁有資源A，線程2擁有資源B，兩個(gè)線程相互等待對(duì)方先釋放資源，并會(huì)一直這么僵持下去，這種情況稱(chēng)為死鎖.

為了避免死鎖，可以使用信號(hào)量機(jī)制：線程在嘗試申請(qǐng)某個(gè)資源前都要判斷能否一次性就獲得所有需要的資源，如果能，就申請(qǐng)，如果不能，則不申請(qǐng)，一直等到可以一次性獲得所有資源.

4 多線程機(jī)制在socket編程中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)編程，主要是指基于TCP的網(wǎng)絡(luò)通信編程，在Java中網(wǎng)絡(luò)編程是使用Socket類(lèi)實(shí)現(xiàn)，因此也稱(chēng)為socket編程.socket編程模型中有服務(wù)器端和客戶端，服務(wù)器端使用ServerSocket創(chuàng)建，一般有固定的IP地址和端口號(hào)，方便向外界提供服務(wù).客戶端可以有多個(gè)，并且使用Socket主動(dòng)連接服務(wù)器.連接后，服務(wù)器端也創(chuàng)建一個(gè)Socket對(duì)象表示這次連接.

4.1 socket編程的服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)

在Java中實(shí)現(xiàn)socket編程，服務(wù)器端要做的事情主要有：創(chuàng)建服務(wù)器對(duì)象ServerSocket；等待客戶端的連接請(qǐng)求，收到請(qǐng)求后即返回表示這次連接的Socket對(duì)象；開(kāi)啟新的線程專(zhuān)門(mén)處理這個(gè)連接；獲得連接的輸入輸出流，并按照一定的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；關(guān)閉連接（關(guān)閉連接時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉IO流）.服務(wù)器端socket編程的主要代碼如下：

public class ServerTest{

public static void main(String[]args){

try{

ServerSocket server=new ServerSocket(10002);

while(true){

Socket socket=server.accept();

MyThread myThread=new MyThread(socket);

myThread.start();

}

}catch(IOException e){

e.printStackTrace();

}

}

}

4.2 socket編程的客戶端實(shí)現(xiàn)

在Java中實(shí)現(xiàn)socket編程，客戶端要做的事情主要有：創(chuàng)建Socket對(duì)象，即向服務(wù)器申請(qǐng)連接；獲得連接的輸入輸出流，并按照一定的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；最后關(guān)閉連接（關(guān)閉連接時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉IO流）.客戶端socket編程的主要代碼如下：

public class ClientTest{

public static void main(String[]args)throws IOException{

Socket socket=new Socket("localhost",10001);

InputStream inputStream=socket.getInputStream();

OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();

byte[]buff=new byte[1024];

int len=inputStream.read(buff);

System.out.println(new String(buff,0,len));

socket.close();

}

}