Потоки java в каком пакете находятся. Жизненный цикл потока

11.05.2019

Немного о принципе многопоточности

Многопоточность - это принцип построения программы, при котором несколько блоков могут выполняться одновременно и не мешать друг другу. Предположим, нам необходимо, чтобы какие-то операции выполнялись одновременно.
Например, у нас существует два объекта, выполняющие конкретные операции независимо друг от друга. Но они используют один и тот же метод, который добавляет к статической переменной число, передаваемое методу в параметре. Однако если эти операции будут выполняться одновременно, то непонятно будет, что запишется в этой переменной, ведь мы одновременно прибавляем к исходному значению переменной два разных числа.

Возникнет странная ситуация. Для того чтобы такого не происходило, для этого метода необходимо установить так называемый признак блокировки. Если какой-либо объект начинает выполнять метод, то происходит блокировка этого метода, и никто больше не может его выполнить, пока данный объект не закончит работу с ним. Все другие объекты, которые должны выполнить этот метод, будут находиться в состоянии ожидания.

Создание потоков на основе класса Thread

Чтобы создать свой поток, необходимо создать дочерний класс класса Thread. Давайте создадим такой класс и затем разберем весь текст программы (листинг 5.7).

Листинг 5.7.
Создание потока на основе класса Thread

Public class MyThread extends Thread{ private int seconds; public MyThread(int seconds) { this.seconds = seconds; } public void run() { try { for (int i = 0; i < this.seconds; i++) { Thread.sleep(1000); System.out.println("Идет секунда: " + i); } } catch (InterruptedException e) { System.out.println("У нас проблемы с потоком"); } } public static void main(String args) { MyThread myThread = new MyThread(5); myThread.start(); new MyThread(15); } }

Вначале мы создаем дочерний класс для класса Thread, затем - конструктор с параметром, который установит количество секунд выполнения потока. После этого мы определяем метод run. который начинает действовать при запуске потока.
Чтобы его вызвать, необходимо вызвать метод start () - «стартовать поток».

У класса Thread есть метод sleep, который позволяет приостановить выполнение потока на заданное количество миллисекунд (внимание: отсчет идет в миллисекундах). Чтобы использовать данный метод, необходимо поместить его в блок try, а блок catch сделать обрабатывающим исключение InterruptedException. Затем мы запускаем два потока, которые будут выполняться одновременно. Чтобы их различить, можно переделать код так (листинг 5.8).

Листинг 5.8.
Создание двух потоков, которые будут выполняться в классе Thread одновременно

Public class MyThread extends Thread{ private int seconds; private static int numbers = 0; private int number; public static int setNumber() { return ++numbers; } public MyThread(int seconds) { this.seconds = seconds; number = MyThread.setNumber(); } public void run() { try { for (int i = 0; i < this.seconds; i++) { Thread.sleep(1000); System.out.println("Идет секунда: " + i + " выполнения потока под номером " + this.number); } } catch (InterruptedException e) { System.out.println("У нас проблемы с потоком"); } } public static void main(String args) { MyThread myThread = new MyThread(5); myThread.start(); new MyThread(15).start(); } }

Теперь мы каждому потоку присвоили свой уникальный номер.

Использование интерфейса Runnable

Можно создавать классы потоков, реализуя интерфейс Runnable. Это бывает порой значительно удобнее. Например, код из предыдущего примера можно переписать так (листинг 5.9).

Листинг 5.9.
Создание классов потоков с использованием интерфейса Runnable

В некоторых случаях так представляется удобней: обычно у подобного создания потоков более короткая запись.
И в том и в другом случае потоку можно присвоить имя. Обычно оно задается в конструкторе в качестве последнего параметра.

Написание параллельного кода – непростая задача, а проверка его корректности – задача еще сложнее. Несмотря на то, что Java предоставляет обширную поддержку многопоточности и синхронизации на уровне языка и API, на деле же оказывается, что написание корректного многопоточного Java-кода зависит от опыта и усердности конкретного программиста. Ниже изложен набор советов, которые помогут вам качественно повысить уровень вашего многопоточного кода на Java. Некоторые из вас, возможно, уже знакомы с этими советами, но никогда не помешает освежать их в памяти раз в пару лет.

Многие из этих советов появились в процессе обучения и практического программирования, а также после прочтения книг «Java concurrency in practice» и «Effective Java» . Я советую прочитать первую каждому Java-программисту два раза; да, всё правильно, ДВА раза. Параллелизм – запутанная и сложная для понимания тема (как, например, для некоторых – рекурсия), и после однократного прочтения вы можете не до конца всё понять.

Единственная цель использования параллелизма – создание масштабируемых и быстрых приложений, но при этом всегда следует помнить, что скорость не должна становиться помехой корректности. Ваша Java-програма должна удовлетворять своему инварианту независимо от того, запущена ли она в однопоточном или многотопочном виде. Если вы новичок в параллельном программировании, для начала ознакомьтесь с различными проблемами, возникающими при параллельном запуске программ (например: взаимная блокировка, состояние гонки, ресурсный голод и т.д.).

1. Используйте локальные переменные

Всегда старайтесь использовать локальные переменные вместо полей класса или статических полей. Иногда разработчики используют поля класса, чтобы сэкономить память и переиспользовать переменные, полагая, что создание локальной переменной при каждом вызове метода может потребовать большого количества дополнительной памяти. Одним из примеров такого использования может послужить коллекция (Collection), объявленная как статическое поле и переиспользуемая с помощью метода clear(). Это переводит класс в общее состояние, которого он иметь не должен, т.к. изначально создавался для параллельного использования в нескольких потоках. В коде ниже метод execute() вызывается из разных потоков, а для реализации нового функционала потребовалась временная коллекция. В оригинальном коде была использована статическая коллекция (List), и намерение разработчика были ясны - очищать коллекцию в конце метода execute() , чтобы потом можно было её заново использовать. Разработчик полагал, что его код потокобезопасен, потому что CopyOnWriteArrayList потокобезопасен. Но это не так - метод execute() вызывается из разных потоков, и один из потоков может получить доступ к данным, записанным другим потоком в общий список. Синхронизация, предоставляемая CopyOnWriteArrayList в данном случае недостаточна для обеспечения инвариантности метода execute() .

Public static class ConcurrentTask { private static List temp = Collections.synchronizedList(new ArrayList()); @Override public void execute(Message message) { // Используем локальный временный список // List temp = new ArrayList(); // Добавим в список что-нибудь из сообщения temp.add("message.getId()"); temp.add("message.getCode()"); temp.clear(); // теперь можно переиспользовать } }

Проблема: Данные одного сообщения попадут в другое, если два вызова execute() «пересекаются», т.е. первый поток добавит id из первого сообщения, затем второй поток добавит id из второго сообщения (это произойдёт ещё до очистки списка), таким образом данные одного из сообщений будут повреждены.

Варианты решений:

Добавить блок синхронизации в ту часть кода, где поток добавляет что-то во временный список и очищает его. Таким образом, другой поток не сможет получить доступ к списку, пока первый не закончит работу с ним. В таком случае эта часть кода будет однопоточной, что уменьшит производительность приложения в целом.
Использовать локальный список в место поля класса. Да, это увеличит затраты памяти, но избавит от блока синхронизации и сделает код более читаемым. Также вам не придётся беспокоиться о временных объектах – о них позаботится сборщик мусора.

Здесь представлен только один из случаев, но при написании параллельного кода лично я предпочитаю локальные переменные полям класса, если последних не требует архитектура приложения.

2. Предпочитайте неизменяемые классы изменяемым

Самая широко известная практика в многопоточном программировании на Java – использование неизменяемых (immutable) классов. Неизменяемые классы, такие как String, Integer и другие упрощают написание параллельного кода в Java, т.к. вам не придётся беспокоиться о состоянии объектов данных классов. Неизменяемые классы уменьшают количество элементов синхронизации в коде . Объект неизменяемого класса, будучи однажды созданным, не может быть изменён. Самый лучший пример такого класса – строка (java.lang.String). Любая операция изменения строки в Java (перевод в верхний регистр, взятие подстроки и пр.) приведёт к созданию нового объекта String для результата операции, оставив исходную строку нетронутой.

3. Сокращайте области синхронизации

Любой код внутри области синхронизации не может быть исполнен параллельно, и если в вашей программе 5% кода находится в блоках синхронизации, то, согласно закону Амдала, производительность всего приложения не может быть улучшена более, чем в 20 раз. Главная причина этого в том, что 5% кода всегда выполняется последовательно. Вы можете уменьшить это количество, сокращая области синхронизации – попробуйте использовать их только для критических секций. Лучший пример сокращения областей синхронизации – блокировка с двойной проверкой, которую можно реализовать в Java 1.5 и выше с помощью volatile переменных.

4. Используйте пул потоков

Создание потока (Thread) - дорогая операция. Если вы хотите создать масштабируемое Java-приложение, вам нужно использовать пул потоков. Помимо тяжеловесности операции создания, управление потокам вручную порождает много повторяющегося кода, который, перемешиваясь с бизнес-логикой, уменьшает читаемость кода в целом. Управление потоками – задача фреймворка, будь то инструмент Java или любой другой, который вы захотите использовать. В JDK есть хорошо организованный, богатый и полностью протестированный фреймворк, известный как Executor framework , который можно использовать везде, где потребуется пул потоков.

5. Используйте утилиты синхронизации вместо wait() и notify()

В Java 1.5 появилось множество утилит синхронизации, таких как CyclicBarrier, CountDownLatch и Semaphore. Вам всегда следует сначала изучить, что есть в JDK для синхронизации, прежде чем использовать wait() и notify() . Будет намного проще реализовать шаблон читатель-писатель с помощью BlockingQueue, чем через wait() и notify() . Также намного проще будет подождать 5 потоков для завершения вычислений, используя CountDownLatch, чем реализовывать то же самое через wait() и notify() . Изучите пакет java.util.concurrent , чтобы писать параллельный код на Java лучшим образом.

6. Используйте BlockingQueue для реализации Producer-Consumer

Этот совет следует из предыдущего, но я выделил его отдельно ввиду его важности для параллельных приложений, используемых в реальном мире. Решение многих проблем многопоточности основано на шаблоне Producer-Consumer, и BlockingQueue – лучший способ реализации его в Java. В отличие от Exchanger, который может быть использовать в случае одного писателя и читателя, BlockingQueue может быть использована для правильной обработки нескольких писателей и читателей.

7. Используйте потокобезопасные коллекции вместо коллекций с блокированием доступа

Потокобезопасные коллекции предоставляют большую масштабируемость и производительность, чем их аналоги с блокированием доступа (Collections.synchronizedCollection и пр.). СoncurrentHashMap, которая, по моему мнению, является самой популярной потокобезопасной коллекцией, демострирует лучшую производителность, чем блокировочные HashMap или Hashtable, в случае, когда количество читателей превосходит количество писателей. Другое преимущество потокобезопасных коллекций состоит в том, что они реализованы с помощью нового механизма блокировки (java.util.concurrent.locks.Lock) и используют нативные механизмы сихнронизации, предоставленные низлежащим аппаратным обеспечением и JVM. Вдобавок используйте CopyOnWriteArrayList вместо Collections.synchronizedList , если чтение из списка происходит чаще, чем его изменение.

8. Используйте семафоры для создания ограничений

Чтобы создать надёжную и стабильную систему, у вас должны быть ограничения на ресурсы (базы данных, файловую систему, сокеты и т.д.). Ваш код ни в коем случае не должен создавать и/или использовать бесконечное количество ресурсов. Семафоры (java.util.concurrent.Semaphore) - хороший выбор для создания ограничений на использование дорогих ресурсов, таких как подключения к базе данных (кстати, в этом случае можно использовать пул подключений). Семафоры помогут создать ограничения и заблокируют потоки в случае недоступности ресурса.

9. Используйте блоки синхронизации вместо блокированных методов

Данный совет расширяет совет по сокращению областей синхрониации. Использование блоков синхронизации – один из методов сокращения области синхронизации, что также позволяет выполнить блокировку на объекте, отличном от текущего, представленного указателем this . Первым кандитатом должна быть атомарная переменная, затем volatile переменная, если они удовлетворяют ваши требования к синхронизации. Если вам требуется взаимное исключение, используйте в первую очередь ReentrantLock, либо блок synchronized . Если вы новичок в параллельном программировании, и не разрабатываете какое-либо жизненно важное приложение, можете просто использовать блок synchronized - так будет безопаснее и проще.

10. Избегайте использования статических переменных

Как показано в первом совете, статические переменные, будучи использованными в параллельном коде, могут привести к возникновению множества проблем. Если вы всё-таки используете статическую переменную, убедитесь, что это константа либо неизменяемая коллекция. Если вы думаете о том, чтобы переиспользовать коллекцию с целью экономии памяти, вернитесь ещё раз к первому совету.

11. Используйте Lock вместо synchronized

Последний, бонусный совет, следует использовать с осторожностью. Интерфейс Lock - мощный инструмент, но его сила влечёт и большую ответственность. Различные объекты Lock на операции чтения и записи позволяют реализовывать масштабируемые структуры данных, такие как ConcurrentHashMap, но при этом требуют большой осторожности при своём программировании. В отличие от блока synchronized, поток не освобождает блокировку автоматически. Вам придётся явно вызывать unlock() , чтобы снять блокировку. Хорошей практикой является вызов этого метода в блоке finally, чтобы блокировка завершалась при любых условиях:

Lock.lock(); try { //do something ... } finally { lock.unlock(); }

Заключение

Вам были представлены советы по написанию многопоточного кода на Java. Ещё раз повторюсь, никогда не помешает перечитывать «Java concurrency in practice» и «Effective Java» время от времени. Также можно вырабатывать нужный для параллельного програмирования способ мышления, просто читая чужой код и пытаясь визуализировать проблемы во время разработки. В завершение спросите себя, каких правил вы придерживаетесь, когда разрабатываете многопоточные приложения на Java?

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.

Преимущества потоков перед процессами

потоки намного легче процессов поскольку требуют меньше времени и ресурсов;
переключение контекста между потоками намного быстрее, чем между процессами;
намного проще добиться взаимодействия между потоками, чем между процессами.

Главный поток

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.

Класс Thread

В классе Thread определены семь перегруженных конструкторов, большое количество методов, предназначенных для работы с потоками, и три константы (приоритеты выполнения потока).

Конструкторы класса Thread

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);

target – экземпляр класса реализующего интерфейс Runnable;
name – имя создаваемого потока;
group – группа к которой относится поток.

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() .

Методы класса Thread

Наиболее часто используемые методы класса Thread для управления потоками:

long getId() - получение идентификатора потока;
String getName() - получение имени потока;
int getPriority() - получение приоритета потока;
State getState() - определение состояния потока;
void interrupt() - прерывание выполнения потока;
boolean isAlive() - проверка, выполняется ли поток;
boolean isDaemon() - проверка, является ли поток «daemon»;
void join() - ожидание завершения потока;
void join(millis) - ожидание millis милисекунд завершения потока;
void notify() - «пробуждение» отдельного потока, ожидающего «сигнала»;
void notifyAll() - «пробуждение» всех потоков, ожидающих «сигнала»;
void run() - запуск потока, если поток был создан с использованием интерфейса Runnable;
void setDaemon(bool) - определение «daemon» потока;
void setPriority(int) - определение приоритета потока;
void sleep(int) - приостановка потока на заданное время;
void start() - запуск потока.
void wait() - приостановка потока, пока другой поток не вызовет метод notify();
void wait(millis) - приостановка потока на millis милисекунд или пока другой поток не вызовет метод notify();

Жизненный цикл потока

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.

Пример использования Thread

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

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 .

Пример класса RunnableExample, реализующего интерфейс Runnable

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

Синхронизация потоков, synchronized

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.

Блокировка на уровне объекта

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 }

Блокировка на уровне метода и класса

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.

Некоторые важные замечания использования synchronized

Синхронизация в Java гарантирует, что два потока не могут выполнить синхронизированный метод одновременно.
Оператор synchronized можно использовать только с методами и блоками кода, которые могут быть как статическими, так и не статическими.
Если один из потоков начинает выполнять синхронизированный метод или блок, то этот метод/блок блокируются. Когда поток выходит из синхронизированного метода или блока JVM снимает блокировку. Блокировка снимается, даже если поток покидает синхронизированный метод после завершения из-за каких-либо ошибок или исключений.
Синхронизация в Java вызывает исключение NullPointerException, если объект, используемый в синхронизированном блоке, не определен, т.е. равен null.
Синхронизированные методы в Java вносят дополнительные затраты на производительность приложения. Поэтому следует использовать синхронизацию, когда она абсолютно необходима.
В соответствии со спецификацией языка нельзя использовать synchronized в конструкторе, т.к. приведет к ошибке компиляции.

Примечание: для синхронизации потоков можно использовать объекты синхронизации Synchroniser"s пакета java.util.concurrent .

Взаимная блокировка

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:

наличие ресурсов, которые должны быть доступны только одному потоку в произвольный момент времени;
при захвате ресурса поток пытается захватить еще один уникальный ресурс;
отсутствует механизм освобождения ресурса при продолжительном его удержании;
во время исполнения несколько потоков могут захватить разные уникальные ресурсы и ждать друг от друга их освобождения.

Взаимодействие между потоками в Java, wait и notify

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:

wait() - освобождает монитор и переводит вызывающий поток в состояние ожидания до тех пор, пока другой поток не вызовет метод notify();
notify() - продолжает работу потока, у которого ранее был вызван метод wait();
notifyAll() - возобновляет работу всех потоков, у которых ранее был вызван метод wait().

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() .

Листинг класса Store

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().

Листинги классов Producer и Consumer

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(); } } }

Листинг класса Trade

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

Поток-демон, daemon

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.

Thread и Runnable, что выбрать?

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().

Приоритеты выполнения и голодание

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.

Скачать примеры

Рассмотренные на странице примеры многопоточности и синхронизации потоков в виде проекта Eclipse можно скачать (14Кб).

В этом руководстве мы рассмотрим, как выполняется многопоточность Java , более подробно узнаем о потоках и синхронизации между ними.

Пример одного потока :

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() { } }

Преимущества одного потока :

При выполнении одного потока снижается нагрузка на приложение;
Уменьшается стоимость обслуживания приложения.

Что такое многопоточность?

Многопоточность в Java - это выполнение двух или более потоков одновременно для максимального использования центрального процесса.

Многопоточные приложения - это приложения, где параллельно выполняются два или более потоков. Данное понятие известно в Java как многопотоковое выполнение. При этом несколько процессов используют общие ресурсы, такие как центральный процессор, память и т. д.

Все потоки выполняются параллельно друг другу. Для каждого отдельного потока не выделяется память, что приводит к ее экономии. Кроме этого переключение между потоками занимает меньше времени.

Пример многопоточности :

package demotest; public class GuruMultithread implements Runnable{ /** * @param args */ public static void main(String args) { Thread guruthread1 = new Thread(); guruThread1.start(); Thread guruthread2 = new Thread(); guruThread2.start(); } @Override public void run() { // TODO Автоматически сгенерированный метод stub } }

Преимущества многопоточности :

В задачах на многопоточность Java потоки выполняются независимо друг от друга, поэтому отсутствует блокирование пользователей, и можно выполнять несколько операций одновременно;
Одни потоки не влияют на другие, когда они наталкиваются на исключения.

Жизненный цикл потока в Java

Жизненный цикл потока :

Стадии жизни потока :

Новый;
Готовый к выполнению;
Выполняемый;
Ожидающий;
Остановленный.

Новый : в этой фазе поток создается с помощью класса Thread . Он остается в этом состоянии, пока программа его не запустит;
Готовый к выполнению : экземпляр потока вызывается с помощью метода Start . Управление потоком предоставляется планировщику для завершения выполнения. От планировщика зависит то, следует ли запускать поток;
Выполняемый : с началом выполнения потока его состояние изменяется на «выполняемый ». Планировщик выбирает один поток из пула потоков и начинает его выполнение в приложении;
Ожидающий : поток ожидает своего выполнения. Поскольку в приложении выполняется сразу несколько потоков, необходимо синхронизировать их. Следовательно, один поток должен ожидать, пока другой поток не будет выполнен. Таким образом, это состояние называется состоянием ожидания;
Остановленный : выполняемый поток после завершения процесса переходит в состояние «остановленный », известное также как «мертвый ».

Часто используемые методы для управления многопоточностью Java :

Например : В этом примере создается поток, и применяются перечисленные выше методы.

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 Автоматически сгенерированный блок catch e.printStackTrace(); } guruthread1.setPriority(1); int gurupriority = guruthread1.getPriority(); System.out.println(gurupriority); System.out.println("Thread Running"); } }

Объяснение кода

Строка кода 2 : создаем класс «thread_Example1 Runnable » (готовый к выполнению ). Он должен быть реализован любым классом, экземпляры которого предназначены для выполнения потоком.
Строка 4 : переопределяется метод run для готового к запуску интерфейса, так как он является обязательным при переопределении этого метода.
Строка кода 6 : определяется основной метод, в котором начнется выполнение потока.
Строка кода 7 : создается новое имя потока «guruthread1 «, инициализируя новый класс потока.
Код строка 8 : используется метод «Start » в экземпляре «guruthread1 «. Здесь поток начнет выполняться.
Строка 10 : используется метод «sleep » в экземпляре «guruthread1 «. Поток приостановит свое выполнение на 1000 миллисекунд.
Строки 9-14 : применяется метод «sleep » в блоке «try catch », так как есть проверяемое исключение «Interrupted exception ».
Строка кода 15 : для потока назначается приоритет «1 », независимо от того, каким приоритет был до этого.
Строка кода 16 : получаем приоритет потока с помощью getPriority() .
Строка кода 17 : значение, извлеченное из getPriority .
Строка кода 18 : пишем текст, что поток выполняется.

Вывод

5 - это приоритет потока, а «Thread Running » - текст, который является выводом нашего кода.

Синхронизация потоков Java

В многопоточности Java присутствует асинхронное поведение. Если один поток записывает некоторые данные, а другой в это время их считывает, в приложении может возникнуть ошибка. Поэтому при необходимости доступа к общим ресурсам двум и более потоками используется синхронизация.

В Java есть свои методы для обеспечения синхронизации. Как только поток достигает синхронизированного блока, другой поток не может вызвать этот метод для того же объекта. Все другие потоки должны ожидать, пока текущий не выйдет из синхронизированного блока.

Таким образом, решается проблема в многопоточных приложениях. Один поток ожидает, пока другой не закончит свое выполнение, и только тогда другим потокам будет разрешено их выполнение.

Это можно написать следующим образом:

Synchronized(object) { //Блок команд для синхронизации }

Пример многопоточности Java

В этом Java многопоточности примере мы задействуем два потока и извлекаем имена потоков.

Пример 1

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() { } }

Объяснение кода

Строка кода 3 : задействуем класс «GuruThread1 «, который реализует интерфейс «Runnable » (он должен быть реализован любым классом, экземпляры которого предназначены для выполнения потоком ).
Строка 8 : основной метод класса.
Строка 9 : создаем класс Thread , экземпляр с именем «guruThread1 » и поток.
Строка 10 : создаем класс Thread , экземпляр с именем «guruThread2 » и поток.
Строка 11 : запускаем поток guruThread1 .
Строка 12 : запускаем поток guruThread2 .
Строка 13 : выводим текст «Thread names are following: «.
Строка 14 : получаем имя потока 1, используя метод getName() класса thread .
Строка кода 15 : получаем имя потока 2, используя метод getName() класса thread .

Вывод

Имена потоков выводятся как:

Guru1
Guru2

Пример 2

Из этого Java многопоточности урока мы узнаем о переопределяющих методах Run () и методе Start () интерфейса runnable . Создадим два потока этого класса и выполним их.

Также мы задействуем два класса:

Один будет реализовывать интерфейс runnable ;
Другой — с методом main и будет выполняться.

package demotest; public class GuruThread2 { public static void main(String args) { // TODO Автоматически сгенерированный метод stub GuruThread3 threadguru1 = new GuruThread3("guru1"); threadguru1.start(); GuruThread3 threadguru2 = new GuruThread3("guru2"); threadguru2.start(); } } class GuruThread3 implements Runnable { Thread guruthread; private String guruname; GuruThread3(String name) { guruname = name; } @Override public void run() { System.out.println("Thread running" + guruname); for (int i = 0; i < 4; i++) { System.out.println(i); System.out.println(guruname); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { System.out.println("Thread has been interrupted"); } } } public void start() { System.out.println("Thread started"); if (guruthread == null) { guruthread = new Thread(this, guruname); guruthread.start(); } } }

Объяснение кода

Строка кода 2 : принимаем класс «GuruThread2 «, содержащий метод main .
Строка 4 : принимаем основной метод класса.
Строки 6-7 : создаем экземпляр класса GuruThread3 (создается в строках внизу ) как «threadguru1 » и запускаем поток.
Строки 8-9 : создаем еще один экземпляр класса GuruThread3 (создается в строках внизу ) как «threadguru2 » и запускаем поток.
Строка 11 : для многопоточности Java создаем класс «GuruThread3 «, который реализует интерфейс «Runnable ». Он должен быть реализован любым классом, экземпляры которого предназначены для выполнения потоком.
Строки 13-14 : принимаем две переменные класса, из которых одна - потоковый класс, другая - строковый класс.
Строки 15-18 : переопределение конструктора GuruThread3 , который принимает один аргумент как тип String (являющийся именем потока ). Имя будет присвоено переменной класса guruname и сохраняется имя потока.
Строка 20 : переопределяется метод run() интерфейса runnable .
Строка 21 : выводится имя потока с использованием набора команд println .
Строки 22-31 : используется цикл «for » со счетчиком, инициализированным на «0 », который не должен быть меньше 4 . Выводится имя потока, а также выполняется приостановка потока на 1000 миллисекунд в блоке try-catch , поскольку метод sleep вызвал проверяемое исключение.
Строка 33 : переопределяется метод start интерфейса runnable .
Строка 35 : выводится текст «Thread started «.
Строки 36-40 : проверяем, содержит ли переменная класса guruthread значение. Если оно равно NULL , создается экземпляр класса thread . После этого запускается поток с использованием класса start() .

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.

Процессы

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.

Потоки

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…

Запуск потоков

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:

Способ 1

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..." ); } }

Способ 2

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…

Завершение процесса и демоны

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() ;

Завершение потоков

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 потока

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).

Interruption

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:

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.

Метод Thread.sleep()

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.

Метод yield()

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 }

Метод join()

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.

Приоритеты потоков

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.

Некоторые полезные методы класса Thread

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.

Заключение

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.