Многопоточность

Наверное, сегодня уже нет необходимости объяснять, что такое многопоточность. Все современные операционные системы, такие как Windows 95, Windows NT, OS/2 или UNIX способны работать в многопоточном режиме, повышая общую производительность системы за счет эффективного распараллеливания выполняемых потоков. Пока один поток находится в состоянии ожидания, например, завершения операции обмена данными с медленным периферийным устройством, другой может продолжать выполнять свою работу.

Пользователи уже давно привыкли запускать параллельно несколько приложений для того чтобы делать несколько дел сразу. Пока одно из них занимается, например, печатью документа на принтере или приемом электронной почты из сети Internet, другое может пересчитывать электронную таблицу или выполнять другую полезную работу. При этом сами по себе запускаемые приложения могут работать в рамках одного потока — операционная система сама заботится о распределении времени между всеми запущенными приложениями.

Создавая приложения для операционной системы Windows на языках программирования С или С++, вы могли решать многие задачи, такие как анимация или работа в сети, и без использования многопоточности. Например, для анимации можно было обрабатывать сообщения соответствующим образом настроенного таймера.

Приложениям Java такая методика недоступна, так как в этой среде не предусмотрено способов периодического вызова каких-либо процедур. Поэтому для решения многих задач вам просто не обойтись без многопоточности.

Процессы, потоки и приоритеты

Прежде чем приступить к разговору о многопоточности, следует уточнить некоторые термины.

Обычно в любой многопоточной операционной системе выделяют такие объекты, как процессы и потоки. Между ними существует большая разница, которую следует четко себе представлять.

Процесс

Процесс (process) — это объект, который создается операционной системой, когда пользователь запускает приложение. Процессу выделяется отдельное адресное пространство, причем это пространство физически недоступно для других процессов. Процесс может работать с файлами или с каналами связи локальной или глобальной сети. Когда вы запускаете текстовый процессор или программу калькулятора, вы создаете новый процесс.

Поток

Для каждого процесса операционная система создает один главный поток (thread ), который является потоком выполняющихся по очереди команд центрального процессора. При необходимости главный поток может создавать другие потоки, пользуясь для этого программным интерфейсом операционной системы.

Все потоки, созданные процессом, выполняются в адресном пространстве этого процесса и имеют доступ к ресурсам процесса. Однако поток одного процесса не имеет никакого доступа к ресурсам потока другого процесса, так как они работают в разных адресных пространствах. При необходимости организации взаимодействия между процессами или потоками, принадлежащими разным процессам, следует пользоваться системными средствами, специально предназначенными для этого.

Приоритеты потоков в приложениях Java

Если процесс создал несколько потоков, то все они выполняются параллельно, причем время центрального процессора (или нескольких центральных процессоров в мультипроцессорных системах) распределяется между этими потоками.

Распределением времени центрального процессора занимается специальный модуль операционной системы — планировщик. Планировщик по очереди передает управление отдельным потокам, так что даже в однопроцессорной системе создается полная иллюзия параллельной работы запущенных потоков.

Распределение времени выполняется по прерываниям системного таймера. Поэтому каждому потоку дается определенный интервал времени, в течении которого он находится в активном состоянии.

Заметим, что распределение времени выполняется для потоков, а не для процессов. Потоки, созданные разными процессами, конкурируют между собой за получение процессорного времени.

Каким именно образом?

Приложения Java могут указывать три значения для приоритетов потоков. Это NORM_PRIORITY, MAX_PRIORITY и MIN_PRIORITY.

По умолчанию вновь созданный поток имеет нормальный приоритет NORM_PRIORITY. Если остальные потоки в системе имеют тот же самый приоритет, то все потоки пользуются процессорным времени на равных правах.

При необходимости вы можете повысить или понизить приоритет отдельных потоков, определив для них значение приоритета, соответственно, MAX_PRIORITY или MIN_PRIORITY. Потоки с повышенным приоритетом выполняются в первую очередь, а с пониженным — только при отсутствии готовых к выполнению потоков, имеющих нормальный или повышенный приоритет.

Реализация многопоточности.

должны воспользоваться классом java.lang.Thread. В этом классе определены все методы, необходимые для создания потоков, управления их состоянием и синхронизации. Как пользоваться классом Thread?

Есть две возможности.

  • Во-первых, вы можете создать свой дочерний класс на базе класса Thread. При этом вы должны переопределить метод run. Ваша реализация этого метода будет работать в рамках отдельного потока.
  • Во-вторых, ваш класс может реализовать интерфейс Runnable. При этом в рамках вашего класса необходимо определить метод run, который будет работать как отдельный поток.

Второй способ особенно удобен в тех случаях, когда ваш класс должен быть унаследован от какого-либо другого класса (например, от класса Applet) и при этом вам нужна многопоточность. Так как в языке программирования Java нет множественного наследования, невозможно создать класс, для которого в качестве родительского будут выступать классы Applet и Thread. В этом случае реализация интерфейса Runnable является единственным способом решения задачи.

Методы класса Thread

В классе Thread определены три поля, несколько конструкторов и большое количество методов, предназначенных для работы с потоками. Ниже мы привели краткое описание полей, конструкторов и методов.

С помощью конструкторов вы можете создавать потоки различными способами, указывая при необходимости для них имя и группу. Имя предназначено для идентификации потока и является необязательным атрибутом. Что же касается групп, то они предназначены для организации защиты потоков друг от друга в рамках одного приложения.

Методы класса Thread предоставляют все необходимые возможности для управления потоками, в том числе для их синхронизации.

Поля

Три статических поля предназначены для назначения приоритетов потокам.

  • NORM_PRIORITY

Нормальный

public final static int NORM_PRIORITY;
  • MAX_PRIORITY

Максимальный

public final static int MAX_PRIORITY;
  • MIN_PRIORITY

Минимальный

public final static int MIN_PRIORITY;

Конструкторы

Создание нового объекта Thread

public Thread();

Создвание нового объекта Thread с указанием объекта, для которого будет вызываться метод run

public Thread(Runnable target);

Аналогично предыдущему, но дополнительно задается имя нового объекта Thread

public Thread(Runnable target, String name);

Создание объекта Thread с указанием его имени

public Thread(String name);

Создание нового объекта Thread с указанием группы потока и объекта, для которого вызывается метод run

public Thread(ThreadGroup group,
  Runnable target);

Аналогично предыдущему, но дополнительно задается имя нового объекта Thread

public Thread(ThreadGroup group,
  Runnable target, String name);

Создание нового объекта Thread с указанием группы потока и имени объекта

public Thread(ThreadGroup group, String name);

Методы

  • activeCount

Текущее количество активных потоков в группе, к которой принадлежит поток

public static int activeCount();
  • checkAccess

Текущему потоку разрешается изменять объект Thread

public void checkAccesss();
  • countStackFrames

Определение количества фреймов в стеке

public int countStackFrames();
  • currentThread

Определение текущего работающего потока

public static Thread currentThread();
  • destroy

Принудительное завершение работы потока

public void destroy();
  • dumpStack

Вывод текущего содержимого стека для отладки

public static void dumpStack();
  • enumerate

Получение всех объектов Tread данной группы

public static int enumerate(Thread  tarray[]);
  • getName

Определение имени потока

public final String getName();
  • getPriority

Определение текущего приоритета потока

public final int getPriority();
  • getThreadGroup

Определение группы, к которой принадлежит поток

public final ThreadGroup getThreadGroup();
  • interrupt

Прерывание потока

public void interrupt();
  • interrupted

Определение, является ли поток прерванным

public static boolean interrupted();
  • isAlive

Определение, выполняется поток или нет

public final boolean isAlive();
  • isDaemon

Определение, является ли поток демоном

public final boolean isDaemon();
  • isInterrupted

Определение, является ли поток прерванным

public boolean isInterrupted();
  • join

Ожидание завершения потока

public final void join();

Ожидание завершения потока в течение заданного времени. Время задается в миллисекундах

public final void join(long millis);

Ожидание завершения потока в течение заданного времени. Время задается в миллисекундах и наносекундах

public final void join(long  millis, int  nanos);
  • resume

Запуск временно приостановленного потока

public final void resume();
  • run

Метод вызывается в том случае, если поток был создан как объект с интерфейсом Runnable

public void run();
  • setDaemon

Установка для потока режима демона

public final void setDaemon(boolean on);
  • setName

Устаовка имени потока

public final void setName(String name);
  • setPriority

Установка приоритета потока

public final void setPriority(int newPriority);
  • sleep

Задержка потока на заднное время. Время задается в миллисекундах и наносекундах

public static void sleep(long millis);

Задержка потока на заднное время. Время задается в миллисекундах и наносекундах

public static void sleep(long millis, int nanos);
  • start

Запуск потока на выполнение

public void start();
  • stop

Остановка выполнения потока

public final void stop();

Аварийная остановка выполнения потока с заданным исключением

public final void stop(Throwable obj);
  • suspend

Приостановка потока

public final void suspend();
  • toString

Строка, представляющая объект-поток

public String toString();
  • yield

Приостановка текущего потока для того  чтобы управление было передано другому потоку

public static void yield();

Создание дочернего класса на базе класса Thread

Рассмотрим первый способ реализации многопоточности, основанный на наследовании от класса Thread. При использовании этого способа вы определяете для потока отдельный класс, например, так:

class DrawRectangles extends Thread
{
  . . .
  public void run()
  {
    . . .
  }
}

Здесь определен класс DrawRectangles, который является дочерним по отношению к классу Thread.

Обратите внимание на метод run. Создавая свой класс на базе класса Thread, вы должны всегда определять этот метод, который и будет выполняться в рамках отдельного потока.

Заметим, что метод run не вызывается напрямую никакими другими методами. Он получает управление при запуске потока методом start.

Как это происходит?

Рассмотрим процедуру запуска потока на примере некоторого класса DrawRectangles.

Вначале ваше приложение должно создать объект класса Thread:

public class MultiTask2 extends Applet
{
  Thread m_DrawRectThread = null;
  . . .
  public void start()
  {
    if (m_DrawRectThread == null)
    {
      m_DrawRectThread = new DrawRectangles(this);
      m_DrawRectThread.start();
    }
  }
}

Создание объекта выполняется оператором new в методе start, который получает управление, когда пользователь открывает документ HTML с аплетом. Сразу после создания поток запускается на выполнение, для чего вызывается метод start.

Что касается метода run, то если поток используется для выполнения какой либо периодической работы, то этот метод содержит внутри себя бесконечный цикл. Когда цикл завершается и метод run возвращает управление, поток прекращает свою работу нормальным, не аварийным образом. Для аварийного завершения потока можно использовать метод interrupt.

Остановка работающего потока выполняется методом stop. Обычно остановка всех работающих потоков, созданных аплетом, выполняется методом stop класса аплета:

public void stop()
{
  if (m_DrawRectThread != null)
  {
    m_DrawRectThread.stop();
    m_DrawRectThread = null;
  }
}

Напомним, что этот метод вызывается, когда пользователь покидает страницу сервера Web, содержащую аплет.

Реализация интерфейса Runnable

Описанный выше способ создания потоков как объектов класса Thread или унаследованных от него классов кажется достаточнао естественным. Однако этот способ не единственный. Если вам нужно создать только один поток, работающую одновременно с кодом аплета, проще выбрать второй способ с использованием интерфейса Runnable.

Идея заключается в том, что основной класс аплета, который является дочерним по отношению к классу Applet, дополнительно реализует интерфейс Runnable, как это показано ниже:

public class MultiTask extends 
  Applet implements Runnable
{
  Thread m_MultiTask = null;
  . . .
  public void run()
  {
    . . .
  }

  public void start()
  {
    if (m_MultiTask == null)
    {
      m_MultiTask = new Thread(this);
      m_MultiTask.start();
    }
  }

  public void stop()
  {
    if (m_MultiTask != null)
    {
      m_MultiTask.stop();
      m_MultiTask = null;
    }
  }
}

Внутри класса необходимо определить метод run, который будет выполняться в рамках отдельного потока. При этом можно считать, что код аплета и код метода run работают одновременно как разные потоки.

Для создания потока используется оператор new. Поток создается как объект класса Thread, причем конструктору передается ссылка на класс аплета:

m_MultiTask = new Thread(this);

При этом, когда поток запустится, управление получит метод run, определенный в классе аплета.

Как запустить поток?

Запуск выполняется, как и раньше, методом start. Обычно поток запускается из метода start аплета, когда пользователь отображает страницу сервера Web, содержащую аплет. Остановка потока выполняется методом stop.