Any application can have multiple processes (instances). Each of this process can be assigned either as a single thread or multiple threads.
We will see in this tutorial how to perform multiple tasks at the same time and also learn more about threads and synchronization between threads.
In this tutorial, we will learn-
A single thread is basically a lightweight and the smallest unit of processing. Java uses threads by using a "Thread Class".
There are two types of thread – user thread and daemon thread (daemon threads are used when we want to clean the application and are used in the background).
When an application first begins, user thread is created. Post that, we can create many user threads and daemon threads.
Single Thread Example:
Package demotest; public class GuruThread { public static void main(String args) { System.out.println("Single Thread"); } }
Advantages of single thread:
What is Multithreading?
Multithreading in java is a process of executing two or more threads simultaneously to maximum utilization of CPU.
Multithreaded applications are where two or more threads run concurrently; hence it is also known as Concurrency in Java. This multitasking is done, when multiple processes share common resources like CPU, memory, etc.
Each thread runs parallel to each other. Threads don"t allocate separate memory area; hence it saves memory. Also, context switching between threads takes less time.
Example of Multi thread:
Package demotest; public class GuruThread1 implements Runnable { public static void main(String args) { Thread guruThread1 = new Thread("Guru1"); Thread guruThread2 = new Thread("Guru2"); guruThread1.start(); guruThread2.start(); System.out.println("Thread names are following:"); System.out.println(guruThread1.getName()); System.out.println(guruThread2.getName()); } @Override public void run() { } }
Advantages of multithread:
The Lifecycle of a thread:
There are various stages of life cycle of thread as shown in above diagram:
Some of the commonly used methods for threads are:
| Method | Description |
|---|---|
| start() | This method starts the execution of the thread and JVM calls the run() method on the thread. |
| Sleep(int milliseconds) | This method makes the thread sleep hence the thread"s execution will pause for milliseconds provided and after that, again the thread starts executing. This help in synchronization of the threads. |
| getName() | It returns the name of the thread. |
| setPriority(int newpriority) | It changes the priority of the thread. |
| yield () | It causes current thread on halt and other threads to execute. |
Example: In this example we are going to create a thread and explore built-in methods available for threads.
Package demotest; public class thread_example1 implements Runnable { @Override public void run() { } public static void main(String args) { Thread guruthread1 = new Thread(); guruthread1.start(); try { guruthread1.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } guruthread1.setPriority(1); int gurupriority = guruthread1.getPriority(); System.out.println(gurupriority); System.out.println("Thread Running"); } }
Explanation of the code:
Code Line 2: We are creating a class "thread_Example1" which is implementing the Runnable interface (it should be implemented by any class whose instances are intended to be executed by the thread.)
Code Line 4: It overrides run method of the runnable interface as it is mandatory to override that method
Code Line 6: Here we have defined the main method in which we will start the execution of the thread.
Code Line 7: Here we are creating a new thread name as "guruthread1" by instantiating a new class of thread.
Code Line 8: we will use "start" method of the thread using "guruthread1" instance. Here the thread will start executing.
Code Line 10: Here we are using the "sleep" method of the thread using "guruthread1" instance. Hence, the thread will sleep for 1000 milliseconds.
Code 9-14: Here we have put sleep method in try catch block as there is checked exception which occurs i.e. Interrupted exception.
Code Line 15: Here we are setting the priority of the thread to 1 from whichever priority it was
Code Line 16: Here we are getting the priority of the thread using getPriority()
Code Line 17: Here we are printing the value fetched from getPriority
Code Line 18: Here we are writing a text that thread is running.
5 is the Thread priority, and Thread Running is the text which is the output of our code.
In multithreading, there is the asynchronous behavior of the programs. If one thread is writing some data and another thread which is reading data at the same time, might create inconsistency in the application.
When there is a need to access the shared resources by two or more threads, then synchronization approach is utilized.
Java has provided synchronized methods to implement synchronized behavior.
In this approach, once the thread reaches inside the synchronized block, then no other thread can call that method on the same object. All threads have to wait till that thread finishes the synchronized block and comes out of that.
In this way, the synchronization helps in a multithreaded application. One thread has to wait till other thread finishes its execution only then the other threads are allowed for execution.
It can be written in the following form:
Synchronized(object) { //Block of statements to be synchronized }
In this example, we will take two threads and fetch the names of the thread.
Example1:
GuruThread1.java package demotest; public class GuruThread1 implements Runnable{ /** * @param args */ public static void main(String args) { Thread guruThread1 = new Thread("Guru1"); Thread guruThread2 = new Thread("Guru2"); guruThread1.start(); guruThread2.start(); System.out.println("Thread names are following:"); System.out.println(guruThread1.getName()); System.out.println(guruThread2.getName()); } @Override public void run() { } }
Explanation of the code:
Code Line 3: We have taken a class "GuruThread1" which implements Runnable (it should be implemented by any class whose instances are intended to be executed by the thread.)
Code Line 8: This is the main method of the class
Code Line 9: Here we are instantiating the Thread class and creating an instance named as "guruThread1" and creating a thread.
Code Line 10: Here we are instantiating the Thread class and creating an instance named a "guruThread2" and creating a thread.
Code Line 11: We are starting the thread i.e. guruThread1.
Code Line 12: We are starting the thread i.e. guruThread2.
Code Line 13: Outputting the text as "Thread names are following:"
Code Line 14: Getting the name of thread 1 using method getName() of the thread class.
Code Line 15: Getting the name of thread 2 using method getName() of the thread class.
When you execute the above code, you get the following output:
Thread names are being outputted here as
Example 2:
In this example, we will learn about overriding methods run() and start() method of a runnable interface and create two threads of that class and run them accordingly.
Also, we are taking two classes,
Explanation of the code:
Code Line 2: Here we are taking a class "GuruThread2" which will have the main method in it.
Code Line 4: Here we are taking a main method of the class.
Code Line 6-7: Here we are creating an instance of class GuruThread3 (which is created in below lines of the code) as "threadguru1" and we are starting the thread.
Code Line 8-9: Here we are creating another instance of class GuruThread3 (which is created in below lines of the code) as "threadguru2" and we are starting the thread.
Code Line 11: Here we are creating a class "GuruThread3" which is implementing the runnable interface (it should be implemented by any class whose instances are intended to be executed by the thread.)
Code Line 13-14: we are taking two class variables from which one is of the type thread class and other of the string class.
Code Line 15-18: we are overriding the GuruThread3 constructor, which takes one argument as string type (which is threads name) that gets assigned to class variable guruname and hence the name of the thread is stored.
Code Line 20: Here we are overriding the run() method of the runnable interface.
Code Line 21: We are outputting the thread name using println statement.
Code Line 22-31: Here we are using a for loop with counter initialized to 0, and it should not be less than 4 (we can take any number hence here loop will run 4 times) and incrementing the counter. We are printing the thread name and also making the thread sleep for 1000 milliseconds within a try-catch block as sleep method raised checked exception.
Code Line 33: Here we are overriding start method of the runnable interface.
Code Line 35: We are outputting the text "Thread started".
Code Line 36-40: Here we are taking an if condition to check whether class variable guruthread has value in it or no. If its null then we are creating an instance using thread class which takes the name as a parameter (value for which was assigned in the constructor). After which the thread is started using start() method.
When you execute the above code you get the following output:
There are two threads hence, we get two times message "Thread started".
We get the names of the thread as we have outputted them.
It goes into for loop where we are printing the counter and thread name and counter starts with 0.
The loop executes three times and in between the thread is slept for 1000 milliseconds.
Hence, first, we get guru1 then guru2 then again guru2 because the thread sleeps here for 1000 milliseconds and then next guru1 and again guru1, thread sleeps for 1000 milliseconds, so we get guru2 and then guru1.
Summary :
In this tutorial, we saw multithreaded applications in Java and how to use single and multi threads.
Многопоточное программирование позволяет разделить представление и обработку информации на несколько «легковесных» процессов (light-weight processes), имеющих общий доступ как к методам различных объектов приложения, так и к их полям. Многопоточность незаменима в тех случаях, когда графический интерфейс должен реагировать на действия пользователя при выполнении определенной обработки информации. Потоки могут взаимодействовать друг с другом через основной «родительский» поток, из которого они стартованы.
В качестве примера можно привести некоторый поток, отвечающий за представление информации в интерфейсе, который ожидает завершения работы другого потока, загружающего файл, и одновременно отображает некоторую анимацию или обновляет прогресс-бар. Кроме того этот поток может остановить загружающий файл поток при нажатии кнопки «Отмена».
Создатели Java предоставили две возможности создания потоков: реализация (implementing) интерфейса Runnable и расширение(extending) класса Thread . Расширение класса - это путь наследования методов и переменных класса родителя. В этом случае можно наследоваться только от одного родительского класса Thread . Данное ограничение внутри Java можно преодолеть реализацией интерфейса Runnable , который является наиболее распространённым способом создания потоков.
Каждое java приложение имеет хотя бы один выполняющийся поток. Поток, с которого начинается выполнение программы, называется главным. После создания процесса, как правило, JVM начинает выполнение главного потока с метода main(). Затем, по мере необходимости, могут быть запущены дополнительные потоки. Многопоточность - это два и более потоков, выполняющихся одновременно в одной программе. Компьютер с одноядерным процессором может выполнять только один поток, разделяя процессорное время между различными процессами и потоками.
В классе Thread определены семь перегруженных конструкторов, большое количество методов, предназначенных для работы с потоками, и три константы (приоритеты выполнения потока).
Thread(); Thread(Runnable target); Thread(Runnable target, String name); Thread(String name); Thread(ThreadGroup group, Runnable target); Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name); Thread(ThreadGroup group, String name);
Пример создания потока, который входит в группу, реализует интерфейс Runnable и имеет свое уникальное название:
Runnable r = new MyClassRunnable(); ThreadGroup tg = new ThreadGroup(); Thread t = new Thread(tg, r, "myThread");
Группы потоков удобно использовать, когда необходимо одинаково управлять несколькими потоками. Например, несколько потоков выводят данные на печать и необходимо прервать печать всех документов поставленных в очередь. В этом случае удобно применить команду ко всем потокам одновременно, а не к каждому потоку отдельно. Но это можно сделать, если потоки отнесены к одной группе.
Несмотря на то, что главный поток создаётся автоматически, им можно управлять. Для этого необходимо создать объект класса Thread вызовом метода currentThread() .
Наиболее часто используемые методы класса Thread для управления потоками:
При выполнении программы объект Thread может находиться в одном из четырех основных состояний: «новый», «работоспособный», «неработоспособный» и «пассивный». При создании потока он получает состояние «новый» (NEW) и не выполняется. Для перевода потока из состояния «новый» в «работоспособный» (RUNNABLE) следует выполнить метод start(), вызывающий метод run().
Поток может находиться в одном из состояний, соответствующих элементам статически вложенного перечисления Thread.State:
NEW - поток создан, но еще не запущен;
RUNNABLE - поток выполняется;
BLOCKED - поток блокирован;
WAITING - поток ждет окончания работы другого потока;
TIMED_WAITING - поток некоторое время ждет окончания другого потока;
TERMINATED - поток завершен.
В примере ChickenEgg рассматривается параллельная работа двух потоков (главный поток и поток Egg), в которых идет спор, «что было раньше, яйцо или курица?». Каждый поток высказывает свое мнение после небольшой задержки, формируемой методом ChickenEgg.getTimeSleep(). Побеждает тот поток, который последним говорит свое слово.
Package example; import java.util.Random; class Egg extends Thread { @Override public void run() { for(int i = 0; i < 5; i++) { try { // Приостанавливаем поток sleep(ChickenEgg.getTimeSleep()); System.out.println("Яйцо"); }catch(InterruptedException e){} } } } public class ChickenEgg { public static int getTimeSleep() { final Random random = new Random(); int tm = random.nextInt(1000); if (tm < 10) tm *= 100; else if (tm < 100) tm *= 10; return tm; } public static void main(String args) { Egg egg = new Egg (); // Создание потока System.out.println("Начинаем спор: кто появился первым?"); egg.start(); // Запуск потока for(int i = 0; i < 5; i++) { try { // Приостанавливаем поток Thread.sleep(ChickenEgg.getTimeSleep()); System.out.println("Курица"); }catch(InterruptedException e){} } if(egg.isAlive()) { // Cказало ли яйцо последнее слово? try { // Ждем, пока яйцо закончит высказываться egg.join(); } catch (InterruptedException e){} System.out.println("Первым появилось яйцо!!!"); } else { //если оппонент уже закончил высказываться System.out.println("Первой появилась курица!!!"); } System.out.println("Спор закончен"); } }
Начинаем спор: кто появился первым? Курица Курица Яйцо Курица Яйцо Яйцо Курица Курица Яйцо Яйцо Первым появилось яйцо!!! Спор закончен
Невозможно точно предсказать, какой поток закончит высказываться последним. При следующем запуске «победитель» может измениться. Это происходит вследствии так называемого «асинхронного выполнения кода». Асинхронность обеспечивает независимость выполнения потоков. Или, другими словами, параллельные потоки независимы друг от друга, за исключением случаев, когда бизнес-логика зависимости выполнения потоков определяется предусмотренными для этого средств языка.
Интерфейс Runnable содержит только один метод run() :
Interface Runnable { void run(); }
Метод run() выполняется при запуске потока. После определения объекта Runnable он передается в один из конструкторов класса Thread .
Package example; class MyThread implements Runnable { Thread thread; MyThread() { thread = new Thread(this, "Дополнительный поток"); System.out.println("Создан дополнительный поток " + thread); thread.start(); } @Override public void run() { try { for (int i = 5; i > 0; i--) { System.out.println("\tдополнительный поток: " + i); Thread.sleep(500); } } catch (InterruptedException e) { System.out.println("\tдополнительный поток прерван"); } System.out.println("\tдополнительный поток завершён"); } } public class RunnableExample { public static void main(String args) { new MyThread(); try { for (int i = 5; i > 0; i--) { System.out.println("Главный поток: " + i); Thread.sleep(1000); } } catch (InterruptedException e) { System.out.println("Главный поток прерван"); } System.out.println("Главный поток завершён"); } }
При выполнении программы в консоль было выведено следующее сообщение.
Создан дополнительный поток Thread[Дополнительный поток,5,main] Главный поток: 5 дополнительный поток: 5 дополнительный поток: 4 Главный поток: 4 дополнительный поток: 3 дополнительный поток: 2 Главный поток: 3 дополнительный поток: 1 дополнительный поток завершён Главный поток: 2 Главный поток: 1 Главный поток завершён
В процессе функционирования потоки часто используют общие ресурсы приложения, определенные вне потока. Если несколько потоков начнут одновременно вносить изменения в общий ресурс, то результаты выполнения программы могут быть непредсказуемыми. Рассмотрим следующий пример:
Package example; class CommonObject { int counter = 0; } class CounterThread implements Runnable { CommonObject res; CounterThread(CommonObject res) { this.res = res; } @Override public void run() { // synchronized(res) { res.counter = 1; for (int i = 1; i < 5; i++){ System.out.printf(""%s" - %d\n", Thread.currentThread().getName(), res.counter); res.counter++; try { Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){} } // } } } public class SynchronizedThread { public static void main(String args) { CommonObject commonObject= new CommonObject(); for (int i = 1; i < 6; i++) { Thread t; t = new Thread(new CounterThread(commonObject)); t.setName("Поток " + i); t.start(); } } }
В примере определен общий ресурс в виде класса CommonObject, в котором имеется целочисленное поле counter. Данный ресурс используется внутренним классом , создающим поток CounterThread для увеличения в цикле значения counter на единицу. При старте потока полю counter присваивается значение 1. После завершения работы потока значение res.counter должно быть равно 4.
Две строчки кода класса CounterThread закомментированы. О них речь пойдет ниже.
В главном классе программы SynchronizedThread.main запускается пять потоков. То есть, каждый поток должен в цикле увеличить значение res.counter с единицы до четырех; и так пять раз. Но результат работы программы, отображаемый в консоли, будет иным:
"Поток 4" - 1 "Поток 2" - 1 "Поток 1" - 1 "Поток 5" - 1 "Поток 3" - 1 "Поток 2" - 6 "Поток 4" - 7 "Поток 3" - 8 "Поток 5" - 9 "Поток 1" - 10 "Поток 2" - 11 "Поток 4" - 12 "Поток 5" - 13 "Поток 3" - 13 "Поток 1" - 15 "Поток 4" - 16 "Поток 2" - 16 "Поток 3" - 18 "Поток 5" - 18 "Поток 1" - 20
То есть, с общим ресурсов res.counter работают все потоки одновременно, поочередно изменяя значение.
Чтобы избежать подобной ситуации, потоки необходимо синхронизировать. Одним из способов синхронизации потоков связан с использованием ключевого слова synchronized . Оператор synchronized позволяет определить блок кода или метод, который должен быть доступен только одному потоку. Можно использовать synchronized в своих классах определяя синхронизированные методы или блоки. Но нельзя использовать synchronized в переменных или атрибутах в определении класса.
Блокировать общий ресурс можно на уровне объекта, но нельзя использовать для этих целей примитивные типы. В примере следует удалить строчные комментарии в классе CounterThread, после чего общий ресурс будет блокироваться как только его захватит один из потоков; остальные потоки будут ждать в очереди освобождения ресурса. Результат работы программы при синхронизации доступа к общему ресурсу резко изменится:
"Поток 1" - 1 "Поток 1" - 2 "Поток 1" - 3 "Поток 1" - 4 "Поток 5" - 1 "Поток 5" - 2 "Поток 5" - 3 "Поток 5" - 4 "Поток 4" - 1 "Поток 4" - 2 "Поток 4" - 3 "Поток 4" - 4 "Поток 3" - 1 "Поток 3" - 2 "Поток 3" - 3 "Поток 3" - 4 "Поток 2" - 1 "Поток 2" - 2 "Поток 2" - 3 "Поток 2" - 4
Следующий код демонстрирует порядок использования оператора synchronized для блокирования доступа к объекту.
Synchronized (оbject) { // other thread safe code }
Блокировать доступ к ресурсам можно на уровне метода и класса. Следующий код показывает, что если во время выполнения программы имеется несколько экземпляров класса DemoClass, то только один поток может выполнить метод demoMethod(), для других потоков доступ к методу будет заблокирован. Это необходимо когда требуется сделать определенные ресурсы потокобезопасными.
Public class DemoClass { public synchronized static void demoMethod(){ // ... } } // или public class DemoClass { public void demoMethod(){ synchronized (DemoClass.class) { // ... } } }
Каждый объект в Java имеет ассоциированный с ним монитор, который представляет своего рода инструмент для управления доступа к объекту. Когда выполнение кода доходит до оператора synchronized , монитор объекта блокируется, предоставляя монопольный доступ к блоку кода только одному потоку, который произвел блокировку. После окончания работы блока кода, монитор объекта освобождается и он становится доступным для других потоков.
Примечание: для синхронизации потоков можно использовать объекты синхронизации Synchroniser"s пакета java.util.concurrent .
С использованием блокировок необходимо быть очень внимательным, чтобы не создать «взаимоблокировку», которая хорошо известна разработчикам. Этот термин означает, что один из потоков ждет от другого освобождения заблокированного им ресурса, в то время как сам также заблокировал один из ресурсов, доступа к которому ждёт второй поток. В данном процессе могут участвовать два и более потоков.
Основные условия возникновения взаимоблокировок в многопотоковом приложении:
При взаимодействии потоков часто возникает необходимость приостановки одних потоков и их последующего извещения о завершении определенных действий в других потоков. Так например, действия первого потока зависят от результата действий второго потока, и надо каким-то образом известить первый поток, что второй поток произвел/завершил определенную работу. Для подобных ситуаций используются методы:
Все эти методы вызываются только из синхронизированного контекста (синхронизированного блока или метода).
Рассмотрим пример «Производитель-Склад-Потребитель» (Producer-Store-Consumer). Пока производитель не поставит на склад продукт, потребитель не может его забрать. Допустим производитель должен поставить 5 единиц определенного товара. Соответственно потребитель должен весь товар получить. Но, при этом, одновременно на складе может находиться не более 3 единиц товара. При реализации данного примера используем методы wait() и notify() .
Package example; public class Store { private int counter = 0; public synchronized void get() { while (counter < 1) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) {} } counter--; System.out.println("-1: товар забрали"); System.out.println("\tколичество товара на складе: " + counter); notify(); } public synchronized void put() { while (counter >= 3) { try { wait(); }catch (InterruptedException e) {} } counter++; System.out.println("+1: товар добавили"); System.out.println("\tколичество товара на складе: " + counter); notify(); } }
Класс Store содержит два синхронизированных метода для получения товара get() и для добавления товара put() . При получении товара выполняется проверка счетчика counter. Если на складе товара нет, то есть counter < 1, то вызывается метод wait() , который освобождает монитор объекта Store и блокирует выполнение метода get() , пока для этого монитора не будет вызван метод notify() .
При добавлении товара также выполняется проверка количества товара на складе. Если на складе больше 3 единиц товара, то поставка товара приостанавливается и вызывается метод notify() , который передает управление методу get() для завершения цикла while().
Классы Producer и Consumer реализуют интерфейс Runnable , методы run() у них переопределены. Конструкторы этих классов в качестве параметра получают объект склад Store. При старте данных объектов в виде отдельных потоков в цикле вызываются методы put() и get() класса Store для «добавления» и «получения» товара.
Package example; public class Producer implements Runnable { Store store; Producer(Store store) { this.store=store; } @Override public void run() { for (int i = 1; i < 6; i++) { store.put(); } } } public class Consumer implements Runnable { Store store; Consumer(Store store) { this.store=store; } @Override public void run(){ for (int i = 1; i < 6; i++) { store.get(); } } }
В главном потоке класса Trade (в методе main ) создаются объекты Producer-Store-Consumer и стартуются потоки производителя и потребителя.
Package example; public class Trade { public static void main(String args) { Store store = new Store(); Producer producer = new Producer(store); Consumer consumer = new Consumer(store); new Thread(producer).start(); new Thread(consumer).start(); } }
При выполнении программы в консоль будут выведены следующие сообщения:
1: товар добавили количество товара на складе: 1 +1: товар добавили количество товара на складе: 2 +1: товар добавили количество товара на складе: 3 -1: товар забрали количество товара на складе: 2 -1: товар забрали количество товара на складе: 1 -1: товар забрали количество товара на складе: 0 +1: товар добавили количество товара на складе: 1 +1: товар добавили количество товара на складе: 2 -1: товар забрали количество товара на складе: 1 -1: товар забрали количество товара на складе: 0
Java приложение завершает работу тогда, когда завершает работу последний его поток. Даже если метод main() уже завершился, но еще выполняются порожденные им потоки, система будет ждать их завершения.
Однако это правило не относится к потоков-демонам (daemon ). Если завершился последний обычный поток процесса, и остались только daemon потоки, то они будут принудительно завершены и выполнение приложения закончится. Чаще всего daemon потоки используются для выполнения фоновых задач, обслуживающих процесс в течение его жизни.
Объявить поток демоном достаточно просто. Для этого нужно перед запуском потока вызвать его метод setDaemon(true). Проверить, является ли поток daemon "ом можно вызовом метода isDaemon(). В качестве примера использования daemon-потока можно рассмотреть класс Trade, который принял бы следующий вид:
Package example; public class Trade { public static void main(String args) { Producer producer = new Producer(store); Consumer consumer = new Consumer(store); // new Thread(producer).start(); // new Thread(consumer).start(); Thread tp = new Thread(producer); Thread tc = new Thread(consumer); tp.setDaemon(true); tc.setDaemon(true); tp.start(); tc.start(); try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {} System.out.println("\nГлавный поток завершен\n"); System.exit(0); } }
Здесь можно самостоятельно поэкспериментировать с определением daemon-потока для одного из классов (producer, consumer) или обоих классов, и посмотреть, как система (JVM) будет вести себя.
Зачем нужно два вида реализации многопоточности; какую из них и когда использовать? Ответ несложен. Реализация интерфейса Runnable используется в случаях, когда класс уже наследует какой-либо родительский класс и не позволяет расширить класс Thread . К тому же хорошим тоном программирования в java считается реализация интерфейсов. Это связано с тем, что в java может наследоваться только один родительский класс. Таким образом, унаследовав класс Thread , невозможно наследовать какой-либо другой класс.
Расширение класса Thread целесообразно использовать в случае необходимости переопределения других методов класса помимо метода run().
Иногда разработчики используют приоритеты выполнения потока. В Java есть планировщик потоков (Thread Scheduler ), который контролирует все запущенные потоки и решает, какие потоки должны быть запущены и какая строка кода должна выполняться. Решение основывается на приоритете потока. Поэтому потоки с меньшим приоритетом получают меньше процессорного времени по сравнению с потоками с бо́льшим приоритет. Данное разумное решением может стать причиной проблем при злоупотреблении. То есть, если бо́льшую часть времени исполняются потоки с высоким приоритетом, то низкоприоритетные потоки начинают «голодать», поскольку не получают достаточно времени для того, чтобы выполнить свою работу должным образом. Поэтому рекомендуется задавать приоритет потока только тогда, когда для этого имеются веские основания.
Неочевидный пример «голодания» потока даёт метод finalize() , предоставляющий возможность выполнить код перед тем, как объект будет удалён сборщиком мусора. Однако приоритет финализирующего потока невысокий. Следовательно, возникают предпосылки для потокового голодания, когда методы finalize() объекта тратят слишком много времени (большие задержки) по сравнению с остальным кодом.
Другая проблема со временем исполнения может возникнуть от того, что не был определен порядок прохождения потоком блока synchronized . Когда несколько параллельных потоков должны выполнить некоторый код, оформленный блоком synchronized , может получиться так, что одним потокам придётся ждать дольше других, прежде чем войти в блок. Теоретически они могут вообще туда не попасть.
Рассмотренные на странице примеры многопоточности и синхронизации потоков в виде проекта Eclipse можно скачать (14Кб).
Здравствуйте! В этой статье я вкратце расскажу вам о процессах, потоках, и об основах многопоточного программирования на языке Java.
Наиболее очевидная область применения многопоточности – это программирование интерфейсов. Многопоточность незаменима тогда, когда необходимо, чтобы графический интерфейс продолжал отзываться на действия пользователя во время выполнения некоторой обработки информации. Например, поток, отвечающий за интерфейс, может ждать завершения другого потока, загружающего файл из интернета, и в это время выводить некоторую анимацию или обновлять прогресс-бар. Кроме того он может остановить поток загружающий файл, если была нажата кнопка «отмена».
Еще одна популярная и, пожалуй, одна из самых хардкорных областей применения многопоточности – игры. В играх различные потоки могут отвечать за работу с сетью, анимацию, расчет физики и т.п.
Давайте начнем. Сначала о процессах.
Процесс - это совокупность кода и данных, разделяющих общее виртуальное адресное пространство. Чаще всего одна программа состоит из одного процесса, но бывают и исключения (например, браузер Chrome создает отдельный процесс для каждой вкладки, что дает ему некоторые преимущества, вроде независимости вкладок друг от друга). Процессы изолированы друг от друга, поэтому прямой доступ к памяти чужого процесса невозможен (взаимодействие между процессами осуществляется с помощью специальных средств).
Для каждого процесса ОС создает так называемое «виртуальное адресное пространство», к которому процесс имеет прямой доступ. Это пространство принадлежит процессу, содержит только его данные и находится в полном его распоряжении. Операционная система же отвечает за то, как виртуальное пространство процесса проецируется на физическую память.
Схема этого взаимодействия представлена на картинке. Операционная система оперирует так называемыми страницами памяти, которые представляют собой просто область определенного фиксированного размера. Если процессу становится недостаточно памяти, система выделяет ему дополнительные страницы из физической памяти. Страницы виртуальной памяти могут проецироваться на физическую память в произвольном порядке.
При запуске программы операционная система создает процесс, загружая в его адресное пространство код и данные программы, а затем запускает главный поток созданного процесса.
Один поток – это одна единица исполнения кода. Каждый поток последовательно выполняет инструкции процесса, которому он принадлежит, параллельно с другими потоками этого процесса.
Следует отдельно обговорить фразу «параллельно с другими потоками». Известно, что на одно ядро процессора, в каждый момент времени, приходится одна единица исполнения. То есть одноядерный процессор может обрабатывать команды только последовательно, по одной за раз (в упрощенном случае). Однако запуск нескольких параллельных потоков возможен и в системах с одноядерными процессорами. В этом случае система будет периодически переключаться между потоками, поочередно давая выполняться то одному, то другому потоку. Такая схема называется псевдо-параллелизмом. Система запоминает состояние (контекст) каждого потока, перед тем как переключиться на другой поток, и восстанавливает его по возвращению к выполнению потока. В контекст потока входят такие параметры, как стек, набор значений регистров процессора, адрес исполняемой команды и прочее…
Проще говоря, при псевдопараллельном выполнении потоков процессор мечется между выполнением нескольких потоков, выполняя по очереди часть каждого из них.
Вот как это выглядит:
Цветные квадраты на рисунке – это инструкции процессора (зеленые – инструкции главного потока, синие – побочного). Выполнение идет слева направо. После запуска побочного потока его инструкции начинают выполняться вперемешку с инструкциями главного потока. Кол-во выполняемых инструкций за каждый подход не определено.
То, что инструкции параллельных потоков выполняются вперемешку, в некоторых случаях может привести к конфликтам доступа к данным. Проблемам взаимодействия потоков будет посвящена следующая статья, а пока о том, как запускаются потоки в Java…
Каждый процесс имеет хотя бы один выполняющийся поток. Тот поток, с которого начинается выполнение программы, называется главным. В языке Java, после создания процесса, выполнение главного потока начинается с метода main(). Затем, по мере необходимости, в заданных программистом местах, и при выполнении заданных им же условий, запускаются другие, побочные потоки.
В языке Java поток представляется в виде объекта-потомка класса Thread. Этот класс инкапсулирует стандартные механизмы работы с потоком.
Запустить новый поток можно двумя способами:
Создать объект класса Thread, передав ему в конструкторе нечто, реализующее интерфейс Runnable. Этот интерфейс содержит метод run(), который будет выполняться в новом потоке. Поток закончит выполнение, когда завершится его метод run().
Выглядит это так:
class SomeThing //Нечто, реализующее интерфейс Runnable implements Runnable //(содержащее метод run ()) { public void run () { System.out.println(); } } public class Program //Класс с методом main () { static SomeThing mThing; //mThing - объект класса, реализующего интерфейс Runnable { mThing = new SomeThing(); Thread myThready = new Thread(mThing); //Создание потока "myThready" myThready.start(); //Запуск потока System.out.println("Главный поток завершён..." ); } }Для пущего укорочения кода можно передать в конструктор класса Thread объект безымянного внутреннего класса, реализующего интерфейс Runnable:
public class Program //Класс с методом main (). { public static void main (String args) { //Создание потока Thread myThready = new Thread(new Runnable() { public void run () //Этот метод будет выполняться в побочном потоке { System.out.println("Привет из побочного потока!" ); } }); myThready.start(); //Запуск потока System.out.println("Главный поток завершён..." ); } }Создать потомка класса Thread и переопределить его метод run():
class AffableThread extends Thread { @Override public void run () //Этот метод будет выполнен в побочном потоке { System.out.println("Привет из побочного потока!" ); } } public class Program { static AffableThread mSecondThread; public static void main (String args) { mSecondThread = new AffableThread(); //Создание потока mSecondThread.start(); //Запуск потока System.out.println("Главный поток завершён..." ); } }В приведённом выше примере в методе main() создается и запускается еще один поток. Важно отметить, что после вызова метода mSecondThread.start() главный поток продолжает своё выполнение, не дожидаясь пока порожденный им поток завершится. И те инструкции, которые идут после вызова метода start(), будут выполнены параллельно с инструкциями потока mSecondThread.
Для демонстрации параллельной работы потоков давайте рассмотрим программу, в которой два потока спорят на предмет философского вопроса «что было раньше, яйцо или курица?». Главный поток уверен, что первой была курица, о чем он и будет сообщать каждую секунду. Второй же поток раз в секунду будет опровергать своего оппонента. Всего спор продлится 5 секунд. Победит тот поток, который последним изречет свой ответ на этот, без сомнения, животрепещущий философский вопрос. В примере используются средства, о которых пока не было сказано (isAlive() sleep() и join()). К ним даны комментарии, а более подробно они будут разобраны дальше.
class EggVoice extends Thread { @Override public void run () { for (int i = 0 ; i < 5 ; i++) { try { sleep(1000 ); }catch (InterruptedException e){} System.out.println("яйцо!" ); } //Слово «яйцо» сказано 5 раз } } public class ChickenVoice //Класс с методом main () { static EggVoice mAnotherOpinion; //Побочный поток public static void main (String args) { mAnotherOpinion = new EggVoice(); //Создание потока System.out.println("Спор начат..." ); mAnotherOpinion.start(); //Запуск потока for (int i = 0 ; i < 5 ; i++) { //Приостанавливает поток на 1 секунду }catch (InterruptedException e){} System.out.println("курица!" ); } //Слово «курица» сказано 5 раз if (mAnotherOpinion.isAlive()) //Если оппонент еще не сказал последнее слово { try { mAnotherOpinion.join(); //Подождать пока оппонент закончит высказываться. }catch (InterruptedException e){} System.out.println("Первым появилось яйцо!" ); } else //если оппонент уже закончил высказываться { System.out.println("Первой появилась курица!" ); } System.out.println("Спор закончен!" ); } } Консоль: Спор начат... курица! яйцо! яйцо! курица! яйцо! курица! яйцо! курица! яйцо! курица! Первой появилась курица! Спор закончен!В приведенном примере два потока параллельно в течении 5 секунд выводят информацию на консоль. Точно предсказать, какой поток закончит высказываться последним, невозможно. Можно попытаться, и можно даже угадать, но есть большая вероятность того, что та же программа при следующем запуске будет иметь другого «победителя». Это происходит из-за так называемого «асинхронного выполнения кода». Асинхронность означает то, что нельзя утверждать, что какая-либо инструкция одного потока, выполнится раньше или позже инструкции другого. Или, другими словами, параллельные потоки независимы друг от друга, за исключением тех случаев, когда программист сам описывает зависимости между потоками с помощью предусмотренных для этого средств языка.
Теперь немного о завершении процессов…
В Java процесс завершается тогда, когда завершается последний его поток. Даже если метод main() уже завершился, но еще выполняются порожденные им потоки, система будет ждать их завершения.
Однако это правило не относится к особому виду потоков – демонам. Если завершился последний обычный поток процесса, и остались только потоки-демоны, то они будут принудительно завершены и выполнение процесса закончится. Чаще всего потоки-демоны используются для выполнения фоновых задач, обслуживающих процесс в течение его жизни.
Объявить поток демоном достаточно просто - нужно перед запуском потока вызвать его метод setDaemon(true)
;
Проверить, является ли поток демоном, можно вызвав его метод boolean isDaemon()
;
В Java существуют (существовали) средства для принудительного завершения потока. В частности метод Thread.stop() завершает поток незамедлительно после своего выполнения. Однако этот метод, а также Thread.suspend(), приостанавливающий поток, и Thread.resume(), продолжающий выполнение потока, были объявлены устаревшими и их использование отныне крайне нежелательно. Дело в том что поток может быть «убит» во время выполнения операции, обрыв которой на полуслове оставит некоторый объект в неправильном состоянии, что приведет к появлению трудноотлавливаемой и случайным образом возникающей ошибке.
Вместо принудительного завершения потока применяется схема, в которой каждый поток сам ответственен за своё завершение. Поток может остановиться либо тогда, когда он закончит выполнение метода run(), (main() - для главного потока) либо по сигналу из другого потока. Причем как реагировать на такой сигнал - дело, опять же, самого потока. Получив его, поток может выполнить некоторые операции и завершить выполнение, а может и вовсе его проигнорировать и продолжить выполняться. Описание реакции на сигнал завершения потока лежит на плечах программиста.
Java имеет встроенный механизм оповещения потока, который называется Interruption (прерывание, вмешательство), и скоро мы его рассмотрим, но сначала посмотрите на следующую программку:
Incremenator - поток, который каждую секунду прибавляет или вычитает единицу из значения статической переменной Program.mValue. Incremenator содержит два закрытых поля – mIsIncrement и mFinish. То, какое действие выполняется, определяется булевой переменной mIsIncrement - если оно равно true, то выполняется прибавление единицы, иначе - вычитание. А завершение потока происходит, когда значение mFinish становится равно true.
{ //О ключевом слове volatile - чуть ниже private volatile boolean mIsIncrement = true ; private volatile boolean mFinish = false ; { mIsIncrement = !mIsIncrement; } public void finish () //Инициирует завершение потока { mFinish = true ; } @Override public void run () { do { if (!mFinish) //Проверка на необходимость завершения { if (mIsIncrement) Program.mValue++; //Инкремент else Program.mValue--; //Декремент //Завершение потока try { Thread.sleep(1000 ); }catch (InterruptedException e){} } while (true ); } } public class Program { //Объект побочного потока public static void main (String args) //Создание потока //с интервалом в i*2 секунд for (int i = 1 ; i <= 3 ; i++) { try { Thread.sleep(i*2 *1000 ); //Переключение действия } mInc.finish(); //Инициация завершения побочного потокаВзаимодействовать с потоком можно с помощью метода changeAction() (для смены вычитания на сложение и наоборот) и метода finish() (для завершения потока).
В объявлении переменных mIsIncrement и mFinish было использовано ключевое слово volatile (изменчивый, не постоянный). Его необходимо использовать для переменных, которые используются разными потоками. Это связано с тем, что значение переменной, объявленной без volatile, может кэшироваться отдельно для каждого потока, и значение из этого кэша может различаться для каждого из них. Объявление переменной с ключевым словом volatile отключает для неё такое кэширование и все запросы к переменной будут направляться непосредственно в память.
В этом примере показано, каким образом можно организовать взаимодействие между потоками. Однако есть одна проблема при таком подходе к завершению потока - Incremenator проверяет значение поля mFinish раз в секунду, поэтому может пройти до секунды времени между тем, когда будет выполнен метод finish(), и фактическим завершения потока. Было бы замечательно, если бы при получении сигнала извне, метод sleep() возвращал выполнение и поток незамедлительно начинал своё завершение. Для выполнения такого сценария существует встроенное средство оповещения потока, которое называется Interruption (прерывание, вмешательство).
Класс Thread содержит в себе скрытое булево поле, подобное полю mFinish в программе Incremenator, которое называется флагом прерывания. Установить этот флаг можно вызвав метод interrupt() потока. Проверить же, установлен ли этот флаг, можно двумя способами. Первый способ - вызвать метод bool isInterrupted() объекта потока, второй - вызвать статический метод bool Thread.interrupted(). Первый метод возвращает состояние флага прерывания и оставляет этот флаг нетронутым. Второй метод возвращает состояние флага и сбрасывает его. Заметьте что Thread.interrupted() - статический метод класса Thread, и его вызов возвращает значение флага прерывания того потока, из которого он был вызван. Поэтому этот метод вызывается только изнутри потока и позволяет потоку проверить своё состояние прерывания.
Итак, вернемся к нашей программе. Механизм прерывания позволит нам решить проблему с засыпанием потока. У методов, приостанавливающих выполнение потока, таких как sleep(), wait() и join() есть одна особенность - если во время их выполнения будет вызван метод interrupt() этого потока, они, не дожидаясь конца времени ожидания, сгенерируют исключение InterruptedException.
Переделаем программу Incremenator – теперь вместо завершения потока с помощью метода finish() будем использовать стандартный метод interrupt(). А вместо проверки флага mFinish будем вызывать метод bool Thread.interrupted();
Так будет выглядеть класс Incremenator после добавления поддержки прерываний:
Как видите, мы избавились от метода finish() и реализовали тот же механизм завершения потока с помощью встроенной системы прерываний. В этой реализации мы получили одно преимущество - метод sleep() вернет управление (сгенерирует исключение) незамедлительно после прерывания потока.
Заметьте что методы sleep() и join() обёрнуты в конструкции try-catch. Это необходимое условие работы этих методов. Вызывающий их код должен перехватывать исключение InterruptedException, которое они бросают при прерывании во время ожидания.
С запуском и завершением потоков разобрались, дальше я расскажу о методах, использующихся при работе с потоками.
Thread.sleep() - статический метод класса Thread, который приостанавливает выполнение потока, в котором он был вызван. Во время выполнения метода sleep() система перестает выделять потоку процессорное время, распределяя его между другими потоками. Метод sleep() может выполняться либо заданное кол-во времени (миллисекунды или наносекунды) либо до тех пор пока он не будет остановлен прерыванием (в этом случае он сгенерирует исключение InterruptedException).
Thread.sleep(1500 ); //Ждет полторы секунды Thread.sleep(2000 , 100 ); //Ждет 2 секунды и 100 наносекунд
Несмотря на то, что метод sleep() может принимать в качестве времени ожидания наносекунды, не стоит принимать это всерьез. Во многих системах время ожидания все равно округляется до миллисекунд а то и до их десятков.
Статический метод Thread.yield() заставляет процессор переключиться на обработку других потоков системы. Метод может быть полезным, например, когда поток ожидает наступления какого-либо события и необходимо чтобы проверка его наступления происходила как можно чаще. В этом случае можно поместить проверку события и метод Thread.yield() в цикл:
//Ожидание поступления сообщения while (!msgQueue.hasMessages()) //Пока в очереди нет сообщений { Thread.yield(); //Передать управление другим потокам }В Java предусмотрен механизм, позволяющий одному потоку ждать завершения выполнения другого. Для этого используется метод join(). Например, чтобы главный поток подождал завершения побочного потока myThready, необходимо выполнить инструкцию myThready.join() в главном потоке. Как только поток myThready завершится, метод join() вернет управление, и главный поток сможет продолжить выполнение.
Метод join() имеет перегруженную версию, которая получает в качестве параметра время ожидания. В этом случае join() возвращает управление либо когда завершится ожидаемый поток, либо когда закончится время ожидания. Подобно методу Thread.sleep() метод join может ждать в течение миллисекунд и наносекунд – аргументы те же.
С помощью задания времени ожидания потока можно, например, выполнять обновление анимированной картинки пока главный (или любой другой) поток ждёт завершения побочного потока, выполняющего ресурсоёмкие операции:
Thinker brain = new Thinker(); //Thinker - потомок класса Thread. brain.start(); //Начать "обдумывание". do { mThinkIndicator.refresh(); //mThinkIndicator - анимированная картинка. try { brain.join(250 ); //Подождать окончания мысли четверть секунды. }catch (InterruptedException e){} } while (brain.isAlive()); //Пока brain думает... //brain закончил думать (звучат овации).
В этом примере поток brain (мозг) думает над чем-то, и предполагается, что это занимает у него длительное время. Главный поток ждет его четверть секунды и, в случае, если этого времени на раздумье не хватило, обновляет «индикатор раздумий» (некоторая анимированная картинка). В итоге, во время раздумий, пользователь наблюдает на экране индикатор мыслительного процесса, что дает ему знать, что электронные мозги чем то заняты.
Каждый поток в системе имеет свой приоритет. Приоритет – это некоторое число в объекте потока, более высокое значение которого означает больший приоритет. Система в первую очередь выполняет потоки с большим приоритетом, а потоки с меньшим приоритетом получают процессорное время только тогда, когда их более привилегированные собратья простаивают.
Работать с приоритетами потока можно с помощью двух функций:
void setPriority(int priority)
– устанавливает приоритет потока.
Возможные значения priority - MIN_PRIORITY, NORM_PRIORITY и MAX_PRIORITY.
int getPriority() – получает приоритет потока.
Это практически всё. Напоследок приведу несколько полезных методов работы с потоками.
boolean isAlive() - возвращает true если myThready() выполняется и false если поток еще не был запущен или был завершен.
setName(String threadName)
– Задает имя потока.
String getName()
– Получает имя потока.
Имя потока – ассоциированная с ним строка, которая в некоторых случаях помогает понять, какой поток выполняет некоторое действие. Иногда это бывает полезным.
static Thread Thread.currentThread() - статический метод, возвращающий объект потока, в котором он был вызван.
long getId() – возвращает идентификатор потока. Идентификатор – уникальное число, присвоенное потоку.
Отмечу, что в статье рассказано далеко не про все нюансы многопоточного программирования. И коду, приведенному в примерах, для полной корректности не хватает некоторых нюансов. В частности, в примерах не используется синхронизация. Синхронизация потоков - тема, не изучив которую, программировать правильные многопоточные приложения не получится. Почитать о ней вы можете, например, в книге «Java Concurrency in Practice» или (всё на английском).
В статье были рассмотрены основные средства работы с потоками в Java. Если эта статья окажется полезной, то в следующей я расскажу о проблемах совместного доступа потоков к ресурсам и о методах их решения.
Здравствуйте! В этой статье я вкратце расскажу вам о процессах, потоках, и об основах многопоточного программирования на языке Java.
Наиболее очевидная область применения многопоточности – это программирование интерфейсов. Многопоточность незаменима тогда, когда необходимо, чтобы графический интерфейс продолжал отзываться на действия пользователя во время выполнения некоторой обработки информации. Например, поток, отвечающий за интерфейс, может ждать завершения другого потока, загружающего файл из интернета, и в это время выводить некоторую анимацию или обновлять прогресс-бар. Кроме того он может остановить поток загружающий файл, если была нажата кнопка «отмена».
Еще одна популярная и, пожалуй, одна из самых хардкорных областей применения многопоточности – игры. В играх различные потоки могут отвечать за работу с сетью, анимацию, расчет физики и т.п.
Давайте начнем. Сначала о процессах.
Для каждого процесса ОС создает так называемое «виртуальное адресное пространство», к которому процесс имеет прямой доступ. Это пространство принадлежит процессу, содержит только его данные и находится в полном его распоряжении. Операционная система же отвечает за то, как виртуальное пространство процесса проецируется на физическую память.
Схема этого взаимодействия представлена на картинке. Операционная система оперирует так называемыми страницами памяти, которые представляют собой просто область определенного фиксированного размера. Если процессу становится недостаточно памяти, система выделяет ему дополнительные страницы из физической памяти. Страницы виртуальной памяти могут проецироваться на физическую память в произвольном порядке.
При запуске программы операционная система создает процесс, загружая в его адресное пространство код и данные программы, а затем запускает главный поток созданного процесса.
Следует отдельно обговорить фразу «параллельно с другими потоками». Известно, что на одно ядро процессора, в каждый момент времени, приходится одна единица исполнения. То есть одноядерный процессор может обрабатывать команды только последовательно, по одной за раз (в упрощенном случае). Однако запуск нескольких параллельных потоков возможен и в системах с одноядерными процессорами. В этом случае система будет периодически переключаться между потоками, поочередно давая выполняться то одному, то другому потоку. Такая схема называется псевдо-параллелизмом. Система запоминает состояние (контекст) каждого потока, перед тем как переключиться на другой поток, и восстанавливает его по возвращению к выполнению потока. В контекст потока входят такие параметры, как стек, набор значений регистров процессора, адрес исполняемой команды и прочее…
Проще говоря, при псевдопараллельном выполнении потоков процессор мечется между выполнением нескольких потоков, выполняя по очереди часть каждого из них.
Вот как это выглядит:
Цветные квадраты на рисунке – это инструкции процессора (зеленые – инструкции главного потока, синие – побочного). Выполнение идет слева направо. После запуска побочного потока его инструкции начинают выполняться вперемешку с инструкциями главного потока. Кол-во выполняемых инструкций за каждый подход не определено.
То, что инструкции параллельных потоков выполняются вперемешку, в некоторых случаях может привести к конфликтам доступа к данным. Проблемам взаимодействия потоков будет посвящена следующая статья, а пока о том, как запускаются потоки в Java…
В языке Java поток представляется в виде объекта-потомка класса Thread. Этот класс инкапсулирует стандартные механизмы работы с потоком.
Запустить новый поток можно двумя способами:
Выглядит это так:
Class SomeThing //Нечто, реализующее интерфейс Runnable implements Runnable //(содержащее метод run()) { public void run() //Этот метод будет выполняться в побочном потоке { System.out.println("Привет из побочного потока!"); } } public class Program //Класс с методом main() { static SomeThing mThing; //mThing - объект класса, реализующего интерфейс Runnable public static void main(String args) { mThing = new SomeThing(); Thread myThready = new Thread(mThing); //Создание потока "myThready" myThready.start(); //Запуск потока System.out.println("Главный поток завершён..."); } }
Для пущего укорочения кода можно передать в конструктор класса Thread объект безымянного внутреннего класса, реализующего интерфейс Runnable:
Public class Program //Класс с методом main(). { public static void main(String args) { //Создание потока Thread myThready = new Thread(new Runnable() { public void run() //Этот метод будет выполняться в побочном потоке { System.out.println("Привет из побочного потока!"); } }); myThready.start(); //Запуск потока System.out.println("Главный поток завершён..."); } }
Class AffableThread extends Thread { @Override public void run() //Этот метод будет выполнен в побочном потоке { System.out.println("Привет из побочного потока!"); } } public class Program { static AffableThread mSecondThread; public static void main(String args) { mSecondThread = new AffableThread(); //Создание потока mSecondThread.start(); //Запуск потока System.out.println("Главный поток завершён..."); } }
В приведённом выше примере в методе main() создается и запускается еще один поток. Важно отметить, что после вызова метода mSecondThread.start() главный поток продолжает своё выполнение, не дожидаясь пока порожденный им поток завершится. И те инструкции, которые идут после вызова метода start(), будут выполнены параллельно с инструкциями потока mSecondThread.
Для демонстрации параллельной работы потоков давайте рассмотрим программу, в которой два потока спорят на предмет философского вопроса «что было раньше, яйцо или курица?». Главный поток уверен, что первой была курица, о чем он и будет сообщать каждую секунду. Второй же поток раз в секунду будет опровергать своего оппонента. Всего спор продлится 5 секунд. Победит тот поток, который последним изречет свой ответ на этот, без сомнения, животрепещущий философский вопрос. В примере используются средства, о которых пока не было сказано (isAlive() sleep() и join()). К ним даны комментарии, а более подробно они будут разобраны дальше.
Class EggVoice extends Thread { @Override public void run() { for(int i = 0; i < 5; i++) { try{ sleep(1000); //Приостанавливает поток на 1 секунду }catch(InterruptedException e){} System.out.println("яйцо!"); } //Слово «яйцо» сказано 5 раз } } public class ChickenVoice //Класс с методом main() { static EggVoice mAnotherOpinion; //Побочный поток public static void main(String args) { mAnotherOpinion = new EggVoice(); //Создание потока System.out.println("Спор начат..."); mAnotherOpinion.start(); //Запуск потока for(int i = 0; i < 5; i++) { try{ Thread.sleep(1000); //Приостанавливает поток на 1 секунду }catch(InterruptedException e){} System.out.println("курица!"); } //Слово «курица» сказано 5 раз if(mAnotherOpinion.isAlive()) //Если оппонент еще не сказал последнее слово { try{ mAnotherOpinion.join(); //Подождать пока оппонент закончит высказываться. }catch(InterruptedException e){} System.out.println("Первым появилось яйцо!"); } else //если оппонент уже закончил высказываться { System.out.println("Первой появилась курица!"); } System.out.println("Спор закончен!"); } } Консоль: Спор начат... курица! яйцо! яйцо! курица! яйцо! курица! яйцо! курица! яйцо! курица! Первой появилась курица! Спор закончен!
В приведенном примере два потока параллельно в течении 5 секунд выводят информацию на консоль. Точно предсказать, какой поток закончит высказываться последним, невозможно. Можно попытаться, и можно даже угадать, но есть большая вероятность того, что та же программа при следующем запуске будет иметь другого «победителя». Это происходит из-за так называемого «асинхронного выполнения кода». Асинхронность означает то, что нельзя утверждать, что какая-либо инструкция одного потока, выполнится раньше или позже инструкции другого. Или, другими словами, параллельные потоки независимы друг от друга, за исключением тех случаев, когда программист сам описывает зависимости между потоками с помощью предусмотренных для этого средств языка.
Теперь немного о завершении процессов…
Однако это правило не относится к особому виду потоков – демонам. Если завершился последний обычный поток процесса, и остались только потоки-демоны, то они будут принудительно завершены и выполнение процесса закончится. Чаще всего потоки-демоны используются для выполнения фоновых задач, обслуживающих процесс в течение его жизни.
Объявить поток демоном достаточно просто - нужно перед запуском потока вызвать его метод setDaemon(true)
;
Проверить, является ли поток демоном, можно вызвав его метод boolean isDaemon()
;
Вместо принудительного завершения потока применяется схема, в которой каждый поток сам ответственен за своё завершение. Поток может остановиться либо тогда, когда он закончит выполнение метода run(), (main() - для главного потока) либо по сигналу из другого потока. Причем как реагировать на такой сигнал - дело, опять же, самого потока. Получив его, поток может выполнить некоторые операции и завершить выполнение, а может и вовсе его проигнорировать и продолжить выполняться. Описание реакции на сигнал завершения потока лежит на плечах программиста.
Java имеет встроенный механизм оповещения потока, который называется Interruption (прерывание, вмешательство), и скоро мы его рассмотрим, но сначала посмотрите на следующую программку:
Incremenator - поток, который каждую секунду прибавляет или вычитает единицу из значения статической переменной Program.mValue. Incremenator содержит два закрытых поля – mIsIncrement и mFinish. То, какое действие выполняется, определяется булевой переменной mIsIncrement - если оно равно true, то выполняется прибавление единицы, иначе - вычитание. А завершение потока происходит, когда значение mFinish становится равно true.
Class Incremenator extends Thread { //О ключевом слове volatile - чуть ниже private volatile boolean mIsIncrement = true; private volatile boolean mFinish = false; public void changeAction() //Меняет действие на противоположное { mIsIncrement = !mIsIncrement; } public void finish() //Инициирует завершение потока { mFinish = true; } @Override public void run() { do { if(!mFinish) //Проверка на необходимость завершения { if(mIsIncrement) Program.mValue++; //Инкремент else Program.mValue--; //Декремент //Вывод текущего значения переменной System.out.print(Program.mValue + " "); } else return; //Завершение потока try{ Thread.sleep(1000); //Приостановка потока на 1 сек. }catch(InterruptedException e){} } while(true); } } public class Program { //Переменая, которой оперирует инкременатор public static int mValue = 0; static Incremenator mInc; //Объект побочного потока public static void main(String args) { mInc = new Incremenator(); //Создание потока System.out.print("Значение = "); mInc.start(); //Запуск потока //Троекратное изменение действия инкременатора //с интервалом в i*2 секунд for(int i = 1; i <= 3; i++) { try{ Thread.sleep(i*2*1000); //Ожидание в течении i*2 сек. }catch(InterruptedException e){} mInc.changeAction(); //Переключение действия } mInc.finish(); //Инициация завершения побочного потока } } Консоль: Значение = 1 2 1 0 -1 -2 -1 0 1 2 3 4
Взаимодействовать с потоком можно с помощью метода changeAction() (для смены вычитания на сложение и наоборот) и метода finish() (для завершения потока).
В объявлении переменных mIsIncrement и mFinish было использовано ключевое слово volatile (изменчивый, не постоянный). Его необходимо использовать для переменных, которые используются разными потоками. Это связано с тем, что значение переменной, объявленной без volatile, может кэшироваться отдельно для каждого потока, и значение из этого кэша может различаться для каждого из них. Объявление переменной с ключевым словом volatile отключает для неё такое кэширование и все запросы к переменной будут направляться непосредственно в память.
В этом примере показано, каким образом можно организовать взаимодействие между потоками. Однако есть одна проблема при таком подходе к завершению потока - Incremenator проверяет значение поля mFinish раз в секунду, поэтому может пройти до секунды времени между тем, когда будет выполнен метод finish(), и фактическим завершения потока. Было бы замечательно, если бы при получении сигнала извне, метод sleep() возвращал выполнение и поток незамедлительно начинал своё завершение. Для выполнения такого сценария существует встроенное средство оповещения потока, которое называется Interruption (прерывание, вмешательство).
Итак, вернемся к нашей программе. Механизм прерывания позволит нам решить проблему с засыпанием потока. У методов, приостанавливающих выполнение потока, таких как sleep(), wait() и join() есть одна особенность - если во время их выполнения будет вызван метод interrupt() этого потока, они, не дожидаясь конца времени ожидания, сгенерируют исключение InterruptedException.
Переделаем программу Incremenator – теперь вместо завершения потока с помощью метода finish() будем использовать стандартный метод interrupt(). А вместо проверки флага mFinish будем вызывать метод bool Thread.interrupted();
Так будет выглядеть класс Incremenator после добавления поддержки прерываний:
Class Incremenator extends Thread { private volatile boolean mIsIncrement = true; public void changeAction() //Меняет действие на противоположное { mIsIncrement = !mIsIncrement; } @Override public void run() { do { if(!Thread.interrupted()) //Проверка прерывания { if(mIsIncrement) Program.mValue++; //Инкремент else Program.mValue--; //Декремент //Вывод текущего значения переменной System.out.print(Program.mValue + " "); } else return; //Завершение потока try{ Thread.sleep(1000); //Приостановка потока на 1 сек. }catch(InterruptedException e){ return; //Завершение потока после прерывания } } while(true); } } class Program { //Переменая, которой оперирует инкременатор public static int mValue = 0; static Incremenator mInc; //Объект побочного потока public static void main(String args) { mInc = new Incremenator(); //Создание потока System.out.print("Значение = "); mInc.start(); //Запуск потока //Троекратное изменение действия инкременатора //с интервалом в i*2 секунд for(int i = 1; i <= 3; i++) { try{ Thread.sleep(i*2*1000); //Ожидание в течении i*2 сек. }catch(InterruptedException e){} mInc.changeAction(); //Переключение действия } mInc.interrupt(); //Прерывание побочного потока } } Консоль: Значение = 1 2 1 0 -1 -2 -1 0 1 2 3 4
Как видите, мы избавились от метода finish() и реализовали тот же механизм завершения потока с помощью встроенной системы прерываний. В этой реализации мы получили одно преимущество - метод sleep() вернет управление (сгенерирует исключение) незамедлительно после прерывания потока.
Заметьте что методы sleep() и join() обёрнуты в конструкции try-catch. Это необходимое условие работы этих методов. Вызывающий их код должен перехватывать исключение InterruptedException, которое они бросают при прерывании во время ожидания.
С запуском и завершением потоков разобрались, дальше я расскажу о методах, использующихся при работе с потоками.
Thread.sleep(1500); //Ждет полторы секунды Thread.sleep(2000, 100); //Ждет 2 секунды и 100 наносекунд
Несмотря на то, что метод sleep() может принимать в качестве времени ожидания наносекунды, не стоит принимать это всерьез. Во многих системах время ожидания все равно округляется до миллисекунд а то и до их десятков.
//Ожидание поступления сообщения while(!msgQueue.hasMessages()) //Пока в очереди нет сообщений { Thread.yield(); //Передать управление другим потокам }
Метод join() имеет перегруженную версию, которая получает в качестве параметра время ожидания. В этом случае join() возвращает управление либо когда завершится ожидаемый поток, либо когда закончится время ожидания. Подобно методу Thread.sleep() метод join может ждать в течение миллисекунд и наносекунд – аргументы те же.
С помощью задания времени ожидания потока можно, например, выполнять обновление анимированной картинки пока главный (или любой другой) поток ждёт завершения побочного потока, выполняющего ресурсоёмкие операции:
Thinker brain = new Thinker(); //Thinker - потомок класса Thread. brain.start(); //Начать "обдумывание". do { mThinkIndicator.refresh(); //mThinkIndicator - анимированная картинка. try{ brain.join(250); //Подождать окончания мысли четверть секунды. }catch(InterruptedException e){} } while(brain.isAlive()); //Пока brain думает... //brain закончил думать (звучат овации).
В этом примере поток brain (мозг) думает над чем-то, и предполагается, что это занимает у него длительное время. Главный поток ждет его четверть секунды и, в случае, если этого времени на раздумье не хватило, обновляет «индикатор раздумий» (некоторая анимированная картинка). В итоге, во время раздумий, пользователь наблюдает на экране индикатор мыслительного процесса, что дает ему знать, что электронные мозги чем то заняты.
Работать с приоритетами потока можно с помощью двух функций:
void setPriority(int priority)
– устанавливает приоритет потока.
Возможные значения priority - MIN_PRIORITY, NORM_PRIORITY и MAX_PRIORITY.
int getPriority() – получает приоритет потока.
boolean isAlive() - возвращает true если myThready() выполняется и false если поток еще не был запущен или был завершен.
setName(String threadName)
– Задает имя потока.
String getName()
– Получает имя потока.
Имя потока – ассоциированная с ним строка, которая в некоторых случаях помогает понять, какой поток выполняет некоторое действие. Иногда это бывает полезным.
static Thread Thread.currentThread() - статический метод, возвращающий объект потока, в котором он был вызван.
long getId() – возвращает идентификатор потока. Идентификатор – уникальное число, присвоенное потоку.
