一、線程概述

線程是程序運(yùn)行的基本執(zhí)行單元。當(dāng)操作系統(tǒng)(不包括單線程的操作系統(tǒng)，如微軟早期的DOS)在執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，會(huì)在系統(tǒng)中建立一個(gè)進(jìn)程，而在這個(gè)進(jìn)程中，必須至少建立一個(gè)線程（這個(gè)線程被稱為主線程）來作為這個(gè)程序運(yùn)行的入口點(diǎn)。因此，在操作系統(tǒng)中運(yùn)行的任何程序都至少有一個(gè)主線程。

進(jìn)程和線程是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中兩個(gè)必不可少的運(yùn)行模型。在操作系統(tǒng)中可以有多個(gè)進(jìn)程，這些進(jìn)程包括系統(tǒng)進(jìn)程（由操作系統(tǒng)內(nèi)部建立的進(jìn)程）和用戶進(jìn)程（由用戶程序建立的進(jìn)程）；一個(gè)進(jìn)程中可以有一個(gè)或多個(gè)線程。進(jìn)程和進(jìn)程之間不共享內(nèi)存，也就是說系統(tǒng)中的進(jìn)程是在各自獨(dú)立的內(nèi)存空間中運(yùn)行的。而一個(gè)進(jìn)程中的線可以共享系統(tǒng)分派給這個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間。

線程不僅可以共享進(jìn)程的內(nèi)存，而且還擁有一個(gè)屬于自己的內(nèi)存空間，這段內(nèi)存空間也叫做線程棧, 是在建立線程時(shí)由系統(tǒng)分配的，主要用來保存線程內(nèi)部所使用的數(shù)據(jù)，如線程執(zhí)行函數(shù)中所定義的變量。

注意：任何一個(gè)線程在建立時(shí)都會(huì)執(zhí)行一個(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)叫做線程執(zhí)行函數(shù)。也可以將這個(gè)函數(shù)看做線程的入口點(diǎn)（類似于程序中的main函數(shù)）。無論使用什么語言或技術(shù)來建立線程，都必須執(zhí)行這個(gè)函數(shù)（這個(gè)函數(shù)的表現(xiàn)形式可能不一樣，但都會(huì)有一個(gè)這樣的函數(shù)）。如在Windows中用于建立線程的API函數(shù)CreateThread的第三個(gè)參數(shù)就是這個(gè)執(zhí)行函數(shù)的指針。

在操作系統(tǒng)將進(jìn)程分成多個(gè)線程后，這些線程可以在操作系統(tǒng)的管理下并發(fā)執(zhí)行，從而大大提高了程序的運(yùn)行效率。雖然線程的執(zhí)行從宏觀上看是多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，但實(shí)際上這只是操作系統(tǒng)的障眼法。由于一塊CPU同時(shí)只能執(zhí)行一條指令，因此，在擁有一塊CPU的計(jì)算機(jī)上不可能同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)。而操作系統(tǒng)為了能提高程序的運(yùn)行效率，在一個(gè)線程空閑時(shí)會(huì)撤下這個(gè)線程，并且會(huì)讓其他的線程來執(zhí)行，這種方式叫做線程調(diào)度。我們之所以從表面上看是多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，是因?yàn)椴煌€程之間切換的時(shí)間非常短，而且在一般情況下切換非常頻繁。假設(shè)我們有線程A和B。在運(yùn)行時(shí)，可能是A執(zhí)行了1毫秒后，切換到B后，B又執(zhí)行了1毫秒，然后又切換到了A，A又執(zhí)行1毫秒。由于1毫秒的時(shí)間對(duì)于普通人來說是很難感知的，因此，從表面看上去就象A和B同時(shí)執(zhí)行一樣，但實(shí)際上A和B是交替執(zhí)行的。

二、線程給我們帶來的好處

如果能合理地使用線程，將會(huì)減少開發(fā)和維護(hù)成本，甚至可以改善復(fù)雜應(yīng)用程序的性能。如在GUI應(yīng)用程序中，還以通過線程的異步特性來更好地處理事件；在應(yīng)用服務(wù)器程序中可以通過建立多個(gè)線程來處理客戶端的請求。線程甚至還可以簡化虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)，如Java虛擬機(jī)(JVM)的垃圾回收器（garbage collector）通常運(yùn)行在一個(gè)或多個(gè)線程中。因此，使用線程將會(huì)從以下五個(gè)方面來改善我們的應(yīng)用程序：

1. 充分利用CPU資源

現(xiàn)在世界上大多數(shù)計(jì)算機(jī)只有一塊CPU。因此，充分利用CPU資源顯得尤為重要。當(dāng)執(zhí)行單線程程序時(shí)，由于在程序發(fā)生阻塞時(shí)CPU可能會(huì)處于空閑狀態(tài)。這將造成大量的計(jì)算資源的浪費(fèi)。而在程序中使用多線程可以在某一個(gè)線程處于休眠或阻塞時(shí)，而CPU又恰好處于空閑狀態(tài)時(shí)來運(yùn)行其他的線程。這樣CPU就很難有空閑的時(shí)候。因此，CPU資源就得到了充分地利用。

2.   簡化編程模型

如果程序只完成一項(xiàng)任務(wù)，那只要寫一個(gè)單線程的程序，并且按著執(zhí)行這個(gè)任務(wù)的步驟編寫代碼即可。但要完成多項(xiàng)任務(wù)，如果還使用單線程的話，那就得在在程序中判斷每項(xiàng)任務(wù)是否應(yīng)該執(zhí)行以及什么時(shí)候執(zhí)行。如顯示一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)、分、秒三個(gè)指針。使用單線程就得在循環(huán)中逐一判斷這三個(gè)指針的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間和角度。如果使用三個(gè)線程分另來處理這三個(gè)指針的顯示，那么對(duì)于每個(gè)線程來說就是指行一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)。這樣有助于開發(fā)人員對(duì)程序的理解和維護(hù)。

3.   簡化異步事件的處理

當(dāng)一個(gè)服務(wù)器應(yīng)用程序在接收不同的客戶端連接時(shí)最簡單地處理方法就是為每一個(gè)客戶端連接建立一個(gè)線程。然后監(jiān)聽線程仍然負(fù)責(zé)監(jiān)聽來自客戶端的請求。如果這種應(yīng)用程序采用單線程來處理，當(dāng)監(jiān)聽線程接收到一個(gè)客戶端請求后，開始讀取客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)，在讀完數(shù)據(jù)后，read方法處于阻塞狀態(tài)，也就是說，這個(gè)線程將無法再監(jiān)聽客戶端請求了。而要想在單線程中處理多個(gè)客戶端請求，就必須使用非阻塞的Socket連接和異步I/O。但使用異步I/O方式比使用同步I/O更難以控制，也更容易出錯(cuò)。因此，使用多線程和同步I/O可以更容易地處理類似于多請求的異步事件。

4.   使GUI更有效率

使用單線程來處理GUI事件時(shí)，必須使用循環(huán)來對(duì)隨時(shí)可能發(fā)生的GUI事件進(jìn)行掃描，在循環(huán)內(nèi)部除了掃描GUI事件外，還得來執(zhí)行其他的程序代碼。如果這些代碼太長，那么GUI事件就會(huì)被“凍結(jié)”，直到這些代碼被執(zhí)行完為止。

在現(xiàn)代的GUI框架（如SWING、AWT和SWT）中都使用了一個(gè)單獨(dú)的事件分派線程（event dispatch thread，EDT）來對(duì)GUI事件進(jìn)行掃描。當(dāng)我們按下一個(gè)按鈕時(shí)，按鈕的單擊事件函數(shù)會(huì)在這個(gè)事件分派線程中被調(diào)用。由于EDT的任務(wù)只是對(duì)GUI事件進(jìn)行掃描，因此，這種方式對(duì)事件的反映是非常快的。

5.   節(jié)約成本

提高程序的執(zhí)行效率一般有三種方法：

（1）增加計(jì)算機(jī)的CPU個(gè)數(shù)。

（2）為一個(gè)程序啟動(dòng)多個(gè)進(jìn)程

（3）在程序中使用多進(jìn)程。

***種方法是最容易做到的，但同時(shí)也是最昂貴的。這種方法不需要修改程序，從理論上說，任何程序都可以使用這種方法來提高執(zhí)行效率。第二種方法雖然不用購買新的硬件，但這種方式不容易共享數(shù)據(jù)，如果這個(gè)程序要完成的任務(wù)需要必須要共享數(shù)據(jù)的話，這種方式就不太方便，而且啟動(dòng)多個(gè)線程會(huì)消耗大量的系統(tǒng)資源。第三種方法恰好彌補(bǔ)了***種方法的缺點(diǎn)，而又繼承了它們的優(yōu)點(diǎn)。也就是說，既不需要購買CPU，也不會(huì)因?yàn)閱⑻嗟木€程而占用大量的系統(tǒng)資源（在默認(rèn)情況下，一個(gè)線程所占的內(nèi)存空間要遠(yuǎn)比一個(gè)進(jìn)程所占的內(nèi)存空間小得多），并且多線程可以模擬多塊CPU的運(yùn)行方式，因此，使用多線程是提高程序執(zhí)行效率的最廉價(jià)的方式。

三、Java的線程模型

由于Java是純面向?qū)ο笳Z言，因此，Java的線程模型也是面向?qū)ο蟮摹ava通過Thread類將線程所必須的功能都封裝了起來。要想建立一個(gè)線程，必須要有一個(gè)線程執(zhí)行函數(shù)，這個(gè)線程執(zhí)行函數(shù)對(duì)應(yīng)Thread類的run方法。Thread類還有一個(gè)start方法，這個(gè)方法負(fù)責(zé)建立線程，相當(dāng)于調(diào)用Windows的建立線程函數(shù)CreateThread。當(dāng)調(diào)用start方法后，如果線程建立成功，并自動(dòng)調(diào)用Thread類的run方法。因此，任何繼承Thread的Java類都可以通過Thread類的start方法來建立線程。如果想運(yùn)行自己的線程執(zhí)行函數(shù)，那就要覆蓋Thread類的run方法。

在Java的線程模型中除了Thread類，還有一個(gè)標(biāo)識(shí)某個(gè)Java類是否可作為線程類的接口Runnable，這個(gè)接口只有一個(gè)抽象方法run，也就是Java線程模型的線程執(zhí)行函數(shù)。因此，一個(gè)線程類的***標(biāo)準(zhǔn)就是這個(gè)類是否實(shí)現(xiàn)了Runnable接口的run方法，也就是說，擁有線程執(zhí)行函數(shù)的類就是線程類。

從上面可以看出，在Java中建立線程有兩種方法，一種是繼承Thread類，另一種是實(shí)現(xiàn)Runnable接口，并通過Thread和實(shí)現(xiàn)Runnable的類來建立線程，其實(shí)這兩種方法從本質(zhì)上說是一種方法，即都是通過Thread類來建立線程，并運(yùn)行run方法的。但它們的大區(qū)別是通過繼承Thread類來建立線程，雖然在實(shí)現(xiàn)起來更容易，但由于Java不支持多繼承，因此，這個(gè)線程類如果繼承了Thread，就不能再繼承其他的類了，因此，Java線程模型提供了通過實(shí)現(xiàn)Runnable接口的方法來建立線程，這樣線程類可以在必要的時(shí)候繼承和業(yè)務(wù)有關(guān)的類，而不是Thread類。

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