一、進(jìn)程與應(yīng)用程序的區(qū)別
進(jìn)程（Process）是最初定義在Unix等多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下用于表示應(yīng)用程序在內(nèi)存環(huán)境中基本執(zhí)行單元的概念。以Unix操作系統(tǒng)為例，進(jìn)程是Unix操作系統(tǒng)環(huán)境中的基本成分、是系統(tǒng)資源分配的基本單位。Unix操作系統(tǒng)中完成的幾乎所有用戶管理和資源分配等工作都是通過操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)程的控制來實(shí)現(xiàn)的。
C、C++、Java等語言編寫的源程序經(jīng)相應(yīng)的編譯器編譯成可執(zhí)行文件后，提交給計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行。這時(shí)，處在可執(zhí)行狀態(tài)中的應(yīng)用程序稱為進(jìn)程。從用戶角度來看，進(jìn)程是應(yīng)用程序的一個(gè)執(zhí)行過程。從操作系統(tǒng)核心角度來看，進(jìn)程代表的是操作系統(tǒng)分配的內(nèi)存、CPU時(shí)間片等資源的基本單位，是為正在運(yùn)行的程序提供的運(yùn)行環(huán)境。進(jìn)程與應(yīng)用程序的區(qū)別在于應(yīng)用程序作為一個(gè)靜態(tài)文件存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬盤等存儲(chǔ)空間中，而進(jìn)程則是處于動(dòng)態(tài)條件下由操作系統(tǒng)維護(hù)的系統(tǒng)資源管理實(shí)體。多任務(wù)環(huán)境下應(yīng)用程序進(jìn)程的主要特點(diǎn)包括：
●進(jìn)程在執(zhí)行過程中有內(nèi)存單元的初始入口點(diǎn)，并且進(jìn)程存活過程中始終擁有獨(dú)立的內(nèi)存地址空間；
●進(jìn)程的生存期狀態(tài)包括創(chuàng)建、就緒、運(yùn)行、阻塞和死亡等類型；
●從應(yīng)用程序進(jìn)程在執(zhí)行過程中向CPU發(fā)出的運(yùn)行指令形式不同，可以將進(jìn)程的狀態(tài)分為用戶態(tài)和核心態(tài)。處于用戶態(tài)下的進(jìn)程執(zhí)行的是應(yīng)用程序指令、處于核心態(tài)下的應(yīng)用程序進(jìn)程執(zhí)行的是操作系統(tǒng)指令。
在Unix操作系統(tǒng)啟動(dòng)過程中，系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建swapper、init等系統(tǒng)進(jìn)程，用于管理內(nèi)存資源以及對(duì)用戶進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度等。在Unix環(huán)境下無論是由操作系統(tǒng)創(chuàng)建的進(jìn)程還要由應(yīng)用程序執(zhí)行創(chuàng)建的進(jìn)程，均擁有唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)（PID）。
二、進(jìn)程與Java線程的區(qū)別
應(yīng)用程序在執(zhí)行過程中存在一個(gè)內(nèi)存空間的初始入口點(diǎn)地址、一個(gè)程序執(zhí)行過程中的代碼執(zhí)行序列以及用于標(biāo)識(shí)進(jìn)程結(jié)束的內(nèi)存出口點(diǎn)地址，在進(jìn)程執(zhí)行過程中的每一時(shí)間點(diǎn)均有唯一的處理器指令與內(nèi)存單元地址相對(duì)應(yīng)。
Java語言中定義的線程（Thread）同樣包括一個(gè)內(nèi)存入口點(diǎn)地址、一個(gè)出口點(diǎn)地址以及能夠順序執(zhí)行的代碼序列。但是進(jìn)程與線程的重要區(qū)別在于線程不能夠單獨(dú)執(zhí)行，它必須運(yùn)行在處于活動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)用程序進(jìn)程中，因此可以定義線程是程序內(nèi)部的具有并發(fā)性的順序代碼流。
Unix操作系統(tǒng)和Microsoft Windows操作系統(tǒng)支持多用戶、多進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行，而Java語言支持應(yīng)用程序進(jìn)程內(nèi)部的多個(gè)執(zhí)行線程的并發(fā)執(zhí)行。多線程的意義在于一個(gè)應(yīng)用程序的多個(gè)邏輯單元可以并發(fā)地執(zhí)行。但是多線程并不意味著多個(gè)用戶進(jìn)程在執(zhí)行，操作系統(tǒng)也不把每個(gè)線程作為獨(dú)立的進(jìn)程來分配獨(dú)立的系統(tǒng)資源。進(jìn)程可以創(chuàng)建其子進(jìn)程，子進(jìn)程與父進(jìn)程擁有不同的可執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)內(nèi)存空間。而在用于代表應(yīng)用程序的進(jìn)程中多個(gè)線程共享數(shù)據(jù)內(nèi)存空間，但保持每個(gè)線程擁有獨(dú)立的執(zhí)行堆棧和程序執(zhí)行上下文（Context）。
基于上述區(qū)別，線程也可以稱為輕型進(jìn)程 (Light Weight Process，LWP)。不同線程間允許任務(wù)協(xié)作和數(shù)據(jù)交換，使得在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源消耗等方面非常廉價(jià)。
線程需要操作系統(tǒng)的支持，不是所有類型的計(jì)算機(jī)都支持多線程應(yīng)用程序。Java程序設(shè)計(jì)語言將線程支持與語言運(yùn)行環(huán)境結(jié)合在一起，提供了多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的能力。這就好比一個(gè)人在處理家務(wù)的過程中，將衣服放到洗衣機(jī)中自動(dòng)洗滌后將大米放在電飯鍋里，然后開始做菜。等菜做好了，飯熟了同時(shí)衣服也洗好了。
需要注意的是：在應(yīng)用程序中使用多線程不會(huì)增加 CPU 的數(shù)據(jù)處理能力。只有在多CPU 的計(jì)算機(jī)或者在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算體系結(jié)構(gòu)下，將Java程序劃分為多個(gè)并發(fā)執(zhí)行線程后，同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)線程運(yùn)行，使不同的線程運(yùn)行在基于不同處理器的Java虛擬機(jī)中，才能提高應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。
另外，如果應(yīng)用程序必須等待網(wǎng)絡(luò)連接或數(shù)據(jù)庫連接等數(shù)據(jù)吞吐速度相對(duì)較慢的資源時(shí)，多線程應(yīng)用程序是非常有利的。基于Internet的應(yīng)用程序有必要是多線程類型的，例如，當(dāng)開發(fā)要支持大量客戶機(jī)的服務(wù)器端應(yīng)用程序時(shí)，可以將應(yīng)用程序創(chuàng)建成多線程形式來響應(yīng)客戶端的連接請(qǐng)求，使每個(gè)連接用戶獨(dú)占一個(gè)客戶端連接線程。這樣，用戶感覺服務(wù)器只為連接用戶自己服務(wù)，從而縮短了服務(wù)器的客戶端響應(yīng)時(shí)間。
三、Java語言的多線程程序設(shè)計(jì)方法
利用Java語言實(shí)現(xiàn)多線程應(yīng)用程序的方法很簡單。根據(jù)多線程應(yīng)用程序繼承或?qū)崿F(xiàn)對(duì)象的不同可以采用兩種方式：一種是應(yīng)用程序的并發(fā)運(yùn)行對(duì)象直接繼承Java的線程類Thread；另外一種方式是定義并發(fā)執(zhí)行對(duì)象實(shí)現(xiàn)Runnable接口。
繼承Thread類的多線程程序設(shè)計(jì)方法
Thread 類是JDK中定義的用于控制線程對(duì)象的類，在該類中封裝了用于進(jìn)行線程控制的方法。見下面的示例代碼：
[code]//Consumer.java
import java.util.*;
class Consumer extends Thread
{
int nTime;
String strConsumer;
public Consumer(int nTime, String strConsumer)
{
this.nTime = nTime;
this.strConsumer = strConsumer;
}
public void run()
{
while(true)
{
try
{
System.out.println("Consumer name:"+strConsumer+"\n");
Thread.sleep(nTime);
}
catch(Exception e)
{
e.printStackTrace();
}
}
}
static public void main(String args[])
{
Consumer aConsumer = new Consumer (1000, "aConsumer");
aConsumer.start();
Consumer bConsumer = new Consumer (2000, "bConsumer");
bConsumer.start();
Consumer cConsumer = new Consumer (3000, "cConsumer ");
cConsumer.start();
}
} [/code]
從上面的程序代碼可以看出：多線程執(zhí)行地下Consumer繼承Java語言中的線程類Thread并且在main方法中創(chuàng)建了三個(gè)Consumer對(duì)象的實(shí)例。當(dāng)調(diào)用對(duì)象實(shí)例的start方法時(shí)，自動(dòng)調(diào)用Consumer類中定義的run方法啟動(dòng)對(duì)象線程運(yùn)行。線程運(yùn)行的結(jié)果是每間隔nTime時(shí)間打印出對(duì)象實(shí)例中的字符串成員變量strConsumer的內(nèi)容。
可以總結(jié)出繼承Thread類的多線程程序設(shè)計(jì)方法是使應(yīng)用程序類繼承Thread類并且在該類的run方法中實(shí)現(xiàn)并發(fā)性處理過程。
實(shí)現(xiàn)Runnable接口的多線程程序設(shè)計(jì)方法
Java語言中提供的另外一種實(shí)現(xiàn)多線程應(yīng)用程序的方法是多線程對(duì)象實(shí)現(xiàn)Runnable接口并且在該類中定義用于啟動(dòng)線程的run方法。這種定義方式的好處在于多線程應(yīng)用對(duì)象可以繼承其它對(duì)象而不是必須繼承Thread類，從而能夠增加類定義的邏輯性。
實(shí)現(xiàn)Runnable接口的多線程應(yīng)用程序框架代碼如下所示：
//Consumer.java
import java.util.*;
class Consumer implements Runnable
{
… …
public Consumer(int nTime, String strConsumer){… …}
public void run(){… …}
static public void main(String args[])
{
Thread aConsumer = new Thread(new Consumer(1000, "aConsumer"));
aConsumer.start();
//其它對(duì)象實(shí)例的運(yùn)行線程
//… …
}
}
從上述代碼可以看出：該類實(shí)現(xiàn)了Runnable接口并且在該類中定義了run方法。這種多線程應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)方式與繼承Thread類的多線程應(yīng)用程序的重要區(qū)別在于啟動(dòng)多線程對(duì)象的方法設(shè)計(jì)方法不同。在上述代碼中，通過創(chuàng)建Thread對(duì)象實(shí)例并且將應(yīng)用對(duì)象作為創(chuàng)建Thread類實(shí)例的參數(shù)。
四、線程間的同步
Java應(yīng)用程序的多個(gè)線程共享同一進(jìn)程的數(shù)據(jù)資源，多個(gè)用戶線程在并發(fā)運(yùn)行過程中可能同時(shí)訪問具有敏感性的內(nèi)容。在Java中定義了線程同步的概念，實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的一致性維護(hù)。下面以筆者最近開發(fā)的移動(dòng)通信計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中線程間同步控制方法，說明Java語言中多線程同步方式的實(shí)現(xiàn)過程。
在沒有多線程同步控制策略條件下的客戶賬戶類定義框架代碼如下所示：
public class RegisterAccount
{
float fBalance;
//客戶繳費(fèi)方法
public void deposit(float fFees){ fBalance += fFees; }
//通話計(jì)費(fèi)方法
public void withdraw(float fFees){ fBalance -= fFees; }
… …
}
讀者也許會(huì)認(rèn)為：上述程序代碼完全能夠滿足計(jì)費(fèi)系統(tǒng)實(shí)際的需要。確實(shí)，在單線程環(huán)境下該程序確實(shí)是可靠的。但是，多進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行的情況是怎樣的呢？假設(shè)發(fā)生這種情況：客戶在客戶服務(wù)中心進(jìn)行繳費(fèi)的同時(shí)正在利用移動(dòng)通信設(shè)備進(jìn)行通話，客戶通話結(jié)束時(shí)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)啟動(dòng)計(jì)費(fèi)進(jìn)程，而同時(shí)服務(wù)中心的工作人員也提交繳費(fèi)進(jìn)程運(yùn)行。讀者可以看到如果發(fā)生這種情況，對(duì)客戶賬戶的處理是不嚴(yán)肅的。
如何解決這種問題呢？很簡單，在RegisterAccount類方法定義中加上用于標(biāo)識(shí)同步方法的關(guān)鍵字synchronized。這樣，在同步方法執(zhí)行過程中該方法涉及的共享資源（在上述代碼中為fBalance成員變量）將被加上共享鎖，以確保在方法運(yùn)行期間只有該方法能夠?qū)蚕碣Y源進(jìn)行訪問，直到該方法的線程運(yùn)行結(jié)束打開共享鎖，其它線程才能夠訪問這些共享資源。在共享鎖沒有打開的時(shí)候其它訪問共享資源的線程處于阻塞狀態(tài)。
進(jìn)行線程同步策略控制后的RegisterAccount類定義如下面代碼所示：
public class RegisterAccount
{
float fBalance;
public synchronized void deposit(float fFees){ fBalance += fFees; }
public synchronized void withdraw(float fFees){ fBalance -= fFees; }
… …
}
從經(jīng)過線程同步機(jī)制定義后的代碼形式可以看出：在對(duì)共享資源進(jìn)行訪問的方法訪問屬性關(guān)鍵字（public）后附加同步定義關(guān)鍵字synchronized，使得同步方法在對(duì)共享資源訪問的時(shí)候，為這些敏感資源附加共享鎖來控制方法執(zhí)行期間的資源獨(dú)占性，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的一致性管理和維護(hù)。
五、 Java線程的管理
線程的狀態(tài)控制
在這里需要明確的是：無論采用繼承Thread類還是實(shí)現(xiàn)Runnable接口來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的多線程能力，都需要在該類中定義用于完成實(shí)際功能的run方法，這個(gè)run方法稱為線程體（Thread Body）。按照線程體在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存中的狀態(tài)不同，可以將線程分為創(chuàng)建、就緒、運(yùn)行、睡眠、掛起和死亡等類型。這些線程狀態(tài)類型下線程的特征為：
創(chuàng)建狀態(tài)：當(dāng)利用new關(guān)鍵字創(chuàng)建線程對(duì)象實(shí)例后，它僅僅作為一個(gè)對(duì)象實(shí)例存在，JVM沒有為其分配CPU時(shí)間片等線程運(yùn)行資源；
就緒狀態(tài)：在處于創(chuàng)建狀態(tài)的線程中調(diào)用start方法將線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。這時(shí)，線程已經(jīng)得到除CPU時(shí)間之外的其它系統(tǒng)資源，只等JVM的線程調(diào)度器按照線程的優(yōu)先級(jí)對(duì)該線程進(jìn)行調(diào)度，從而使該線程擁有能夠獲得CPU時(shí)間片的機(jī)會(huì)。
睡眠狀態(tài)：在線程運(yùn)行過程中可以調(diào)用sleep方法并在方法參數(shù)中指定線程的睡眠時(shí)間將線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換為睡眠狀態(tài)。這時(shí)，該線程在不釋放占用資源的情況下停止運(yùn)行指定的睡眠時(shí)間。時(shí)間到達(dá)后，線程重新由JVM線程調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度和管理。
掛起狀態(tài)：可以通過調(diào)用suspend方法將線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為掛起狀態(tài)。這時(shí)，線程將釋放占用的所有資源，由JVM調(diào)度轉(zhuǎn)入臨時(shí)存儲(chǔ)空間，直至應(yīng)用程序調(diào)用resume方法恢復(fù)線程運(yùn)行。
死亡狀態(tài)：當(dāng)線程體運(yùn)行結(jié)束或者調(diào)用線程對(duì)象的stop方法后線程將終止運(yùn)行，由JVM收回線程占用的資源。
在Java線程類中分別定義了相應(yīng)的方法，用于在應(yīng)用程序中對(duì)線程狀態(tài)進(jìn)行控制和管理。
線程的調(diào)度
線程調(diào)用的意義在于JVM應(yīng)對(duì)運(yùn)行的多個(gè)線程進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的協(xié)調(diào)，以避免多個(gè)線程爭用有限資源而導(dǎo)致應(yīng)用系統(tǒng)死機(jī)或者崩潰。
為了線程對(duì)于操作系統(tǒng)和用戶的重要性區(qū)分開，Java定義了線程的優(yōu)先級(jí)策略。Java將線程的優(yōu)先級(jí)分為10個(gè)等級(jí)，分別用1-10之間的數(shù)字表示。數(shù)字越大表明線程的級(jí)別越高。相應(yīng)地，在Thread類中定義了表示線程最低、最高和普通優(yōu)先級(jí)的成員變量MIN_PRIORITY、MAX_PRIORITY和NORMAL_PRIORITY，代表的優(yōu)先級(jí)等級(jí)分別為1、10和5。當(dāng)一個(gè)線程對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，其默認(rèn)的線程優(yōu)先級(jí)是5。
為了控制線程的運(yùn)行策略，Java定義了線程調(diào)度器來監(jiān)控系統(tǒng)中處于就緒狀態(tài)的所有線程。線程調(diào)度器按照線程的優(yōu)先級(jí)決定那個(gè)線程投入處理器運(yùn)行。在多個(gè)線程處于就緒狀態(tài)的條件下，具有高優(yōu)先級(jí)的線程會(huì)在低優(yōu)先級(jí)線程之前得到執(zhí)行。線程調(diào)度器同樣采用"搶占式"策略來調(diào)度線程執(zhí)行，即當(dāng)前線程執(zhí)行過程中有較高優(yōu)先級(jí)的線程進(jìn)入就緒狀態(tài)，則高優(yōu)先級(jí)的線程立即被調(diào)度執(zhí)行。具有相同優(yōu)先級(jí)的所有線程采用輪轉(zhuǎn)的方式來共同分配CPU時(shí)間片。
在應(yīng)用程序中設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)的方法很簡單，在創(chuàng)建線程對(duì)象之后可以調(diào)用線程對(duì)象的setPriority方法改變?cè)摼€程的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)，同樣可以調(diào)用getPriority方法獲取當(dāng)前線程的優(yōu)先級(jí)。
在Java中比較特殊的線程是被稱為守護(hù)（Daemon）線程的低級(jí)別線程。這個(gè)線程具有最低的優(yōu)先級(jí)，用于為系統(tǒng)中的其它對(duì)象和線程提供服務(wù)。將一個(gè)用戶線程設(shè)置為守護(hù)線程的方式是在線程對(duì)象創(chuàng)建之前調(diào)用線程對(duì)象的setDaemon方法。典型的守護(hù)線程例子是JVM中的系統(tǒng)資源自動(dòng)回收線程，它始終在低級(jí)別的狀態(tài)中運(yùn)行，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理系統(tǒng)中的可回收資源。
線程分組管理
Java定義了在多線程運(yùn)行系統(tǒng)中的線程組（ThreadGroup）對(duì)象，用于實(shí)現(xiàn)按照特定功能對(duì)線程進(jìn)行集中式分組管理。用戶創(chuàng)建的每個(gè)線程均屬于某線程組，這個(gè)線程組可以在線程創(chuàng)建時(shí)指定，也可以不指定線程組以使該線程處于默認(rèn)的線程組之中。但是，一旦線程加入某線程組，該線程就一直存在于該線程組中直至線程死亡，不能在中途改變線程所屬的線程組。
當(dāng)Java的Application應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，JVM創(chuàng)建名稱為main的線程組。除非單獨(dú)指定，在該應(yīng)用程序中創(chuàng)建的線程均屬于main線程組。在main線程組中可以創(chuàng)建其它名稱的線程組并將其它線程加入到該線程組中，依此類推，構(gòu)成線程和線程組之間的樹型管理和繼承關(guān)系。
與線程類似，可以針對(duì)線程組對(duì)象進(jìn)行線程組的調(diào)度、狀態(tài)管理以及優(yōu)先級(jí)設(shè)置等。在對(duì)線程組進(jìn)行管理過程中，加入到某線程組中的所有線程均被看作統(tǒng)一的對(duì)象。
六、小結(jié)：
本文針對(duì)Java平臺(tái)中線程的性質(zhì)和應(yīng)用程序的多線程策略進(jìn)行了分析和講解。
與其它操作系統(tǒng)環(huán)境不同，Java運(yùn)行環(huán)境中的線程類似于多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下的進(jìn)程，但在進(jìn)程和線程的運(yùn)行及創(chuàng)建方式等方面，進(jìn)程與Java線程具有明顯區(qū)別。
Unix操作系統(tǒng)環(huán)境下，應(yīng)用程序可以利用fork函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程，但子進(jìn)程與該應(yīng)用程序進(jìn)程擁有獨(dú)立的地址空間、系統(tǒng)資源和代碼執(zhí)行單元，并且進(jìn)程的調(diào)度是由操作系統(tǒng)來完成的，使得在應(yīng)用進(jìn)程之間進(jìn)行通信和線程協(xié)調(diào)相對(duì)復(fù)雜。而Java應(yīng)用程序中的多線程則是共享同一應(yīng)用系統(tǒng)資源的多個(gè)并行代碼執(zhí)行體，線程之間的通信和協(xié)調(diào)方法相對(duì)簡單。
可以說：Java語言對(duì)應(yīng)用程序多線程能力的支持增強(qiáng)了Java作為網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)語言的優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)用系統(tǒng)中多客戶端的并發(fā)訪問以及提高服務(wù)器的響應(yīng)效率奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 |