Java多線程技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

魏 瑾

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046011)

Java的多線程技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中必須解決好各個(gè)線程之間的通信問(wèn)題，因?yàn)槿狈τ行У耐ㄐ艡C(jī)制，會(huì)造成Java多線程無(wú)法合理調(diào)度，進(jìn)而增加系統(tǒng)崩潰的可能性。研究共享內(nèi)存、消息通知等在多線程通信中的原理和應(yīng)用具有重要的意義。

1 Java多線程的網(wǎng)絡(luò)通信原理

1.1 線程間通信

Java在軟件開(kāi)發(fā)中占據(jù)著非常廣泛的市場(chǎng)，目前是最主流的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，其優(yōu)點(diǎn)在于執(zhí)行效率高(相對(duì)于Python、C#、PHP等),其中多線程是Java的顯著優(yōu)勢(shì)之一。計(jì)算機(jī)中的程序在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，并占據(jù)一定的計(jì)算機(jī)資源，CPU、內(nèi)存等都會(huì)分配給進(jìn)程。在Java語(yǔ)言下，進(jìn)程可存在多個(gè)線程，這些線程并沒(méi)有相互獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，而是采用共享機(jī)制。多線程的價(jià)值在于能夠分開(kāi)執(zhí)行不同的任務(wù)或者分段執(zhí)行程序代碼，多線程的應(yīng)用可顯著提高程序的運(yùn)行效率、提高其負(fù)載高并發(fā)的能力以及更加充分的利用計(jì)算機(jī)資源，如CPU的利用率會(huì)因?yàn)槎嗑€程的應(yīng)用而更高。但是從多線程的運(yùn)行情況來(lái)看，當(dāng)其在同步執(zhí)行不同的任務(wù)時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)資源爭(zhēng)奪的問(wèn)題，這種情況下就要借助線程間通信來(lái)合理地調(diào)度計(jì)算資源，保證每一個(gè)線程的順利執(zhí)行。Java多線程在執(zhí)行層面采用交替進(jìn)行或者接力進(jìn)行，但無(wú)論如何實(shí)現(xiàn)，都會(huì)用到線程間通信[1]。

在網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)中必須考慮到效率問(wèn)題和編碼的難度，網(wǎng)絡(luò)用戶的規(guī)模非常龐大，同一時(shí)間段之內(nèi)可能具有大量的并行的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，這種情況對(duì)服務(wù)器的負(fù)載能力提出了很高的要求，Java的多線程是提高服務(wù)器利用率以及應(yīng)對(duì)高并發(fā)的重要技術(shù)措施，其應(yīng)用價(jià)值很大，這也是高性能網(wǎng)站大多利用Java來(lái)編程的原因之一。

1.2 多線程網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制

各個(gè)并發(fā)執(zhí)行的線程之間存在爭(zhēng)奪CPU和存儲(chǔ)空間的情況，如果相互之間沒(méi)有統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機(jī)制，那么程序執(zhí)行必然會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至阻塞，這是開(kāi)展多線程網(wǎng)絡(luò)通信的主要原因。以下內(nèi)容介紹Java多線程通信的實(shí)現(xiàn)原理。

1.2.1 線程間通信的控制機(jī)制

1) 臨界區(qū)。這種方式主要用于線程訪問(wèn)共享資源，其特點(diǎn)是速度快，實(shí)現(xiàn)方式為多線程的串行化；2) 互斥量。當(dāng)兩個(gè)線程為互斥的對(duì)象時(shí)，其資源空間可共享，其他的線程不能占用其共享空間，這樣可保證其他線程不訪問(wèn)其公共資源；3) 信號(hào)量。Java的多線程并不能保證同一時(shí)刻所有的線程都能獲得運(yùn)行所需的資源，畢竟CPU和存儲(chǔ)空間的性能是有限的，在確保運(yùn)行效率的基本前提下盡可能多地運(yùn)行線程，這才是比較科學(xué)的策略。信號(hào)量的作用是限制同一時(shí)刻訪問(wèn)資源的最大線程數(shù)量，顯然，在信號(hào)量的控制下，只有有限數(shù)量線程可運(yùn)行[2]；4) 信號(hào)?？捎糜谂袛嗑€程的優(yōu)先級(jí)，決定了哪些線程先執(zhí)行，哪些線程后執(zhí)行。

1.2.2 線程通信方式

1) 共享內(nèi)存。這是Java多線程通信最典型的方式。其原理是在設(shè)置一個(gè)可由多個(gè)線程共享的變量，計(jì)算機(jī)中的變量實(shí)際上是存儲(chǔ)在內(nèi)存中，當(dāng)程序代碼在執(zhí)行調(diào)用時(shí)，會(huì)從內(nèi)存中獲取該共享變量的內(nèi)容，然后由各個(gè)線程共同使用。例如，利用多線程完成頁(yè)面抓取任務(wù)，為了記錄下一共抓取了過(guò)少個(gè)頁(yè)面，可設(shè)置一個(gè)共享變量，記為counts,將其初始值設(shè)為0，每抓取一個(gè)頁(yè)面，在其基礎(chǔ)上加1，最終的總數(shù)就是抓取頁(yè)面的數(shù)量。在多線程模式下，每一個(gè)線程都在單獨(dú)完成頁(yè)面抓取的任務(wù)，但是計(jì)數(shù)就成為一個(gè)問(wèn)題，共享變量能被每一個(gè)線程所調(diào)用，這樣就借助該變量實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)功能的信息共享，也就完成了通信。在這種模式下，各個(gè)線程之間相互通信的“中間人”就是counts這一變量。其運(yùn)行機(jī)制的示意圖如圖1所示。為了保證共享內(nèi)存的變量具有足夠的安全性和可靠性，可將其存儲(chǔ)在臨界區(qū)，并且加鎖或者同步。從這種通信方式的實(shí)現(xiàn)原理來(lái)看，各個(gè)線程之間實(shí)際上并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)直接的通信，而是通過(guò)共享變量間接完成通信功能[3]。2) 消息傳遞。這種通信方式是顯性的，各個(gè)線程之間通過(guò)傳遞消息來(lái)實(shí)現(xiàn)直接的通信，典型的如Actor模型，其中每一個(gè)actor都具有收件和發(fā)件的功能，相互之間借助收發(fā)信息來(lái)通信。其收件箱類(lèi)似于一個(gè)消息隊(duì)列，逐次去執(zhí)行隊(duì)列中的內(nèi)容。消息傳遞的通信方式在應(yīng)對(duì)復(fù)雜業(yè)務(wù)模型時(shí)體現(xiàn)出非常強(qiáng)大的適應(yīng)能力，其應(yīng)用價(jià)值很高。

圖1 Java多線程共享內(nèi)存通信機(jī)制

2 Java多線程網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用

2.1 線程的創(chuàng)建方法

第一，繼承Thread類(lèi)并重寫(xiě)其run()方法。其代碼實(shí)現(xiàn)為public class ThreadName extends Thread{ public void run(){ /*子線程的代碼 */ }}。

第二，利用Runnable接口創(chuàng)建線程類(lèi)。Java中不能實(shí)現(xiàn)多繼承，在創(chuàng)建線程類(lèi)時(shí)要先實(shí)現(xiàn)Runnanble接口，并且要重寫(xiě)該接口中唯一的方法run()，線程的代碼執(zhí)行體就編寫(xiě)在run()方法中。接口編寫(xiě)完成之后就可直接繼承該接口的類(lèi)的對(duì)象。其實(shí)現(xiàn)代碼如下：public class RunnableTest implements Runnable{ public void run(){ /*線程代碼執(zhí)行體*/ }}。

第三，使用Callable和Future創(chuàng)建線程。以上兩種方法雖然都能實(shí)現(xiàn)線程創(chuàng)建的目的，但是在具體應(yīng)用層面卻存在一定的缺陷，最主要的問(wèn)題是代碼中不能拋出異常，也不能返回值。Callable 接口是Runnable接口的升級(jí)版，其在實(shí)現(xiàn)后者功能的基礎(chǔ)上還具有返回值，該接口依靠call()方法來(lái)執(zhí)行線程的代碼。不過(guò)這種方式在具體應(yīng)用中還需解決一個(gè)技術(shù)性問(wèn)題，那就是Callable對(duì)象不能直接作為T(mén)hread對(duì)象的target,這時(shí)候就必須引入Future接口[4]。

2.2 調(diào)用線程的方法

第一，基于類(lèi)的調(diào)用方式。無(wú)論是繼承Thread類(lèi)，還是運(yùn)用Runnable接口，調(diào)用線程時(shí)必須先創(chuàng)建出一個(gè)類(lèi)的對(duì)象，然后再利用該對(duì)象調(diào)用相關(guān)的方法，執(zhí)行線程代碼。Thread類(lèi)的調(diào)用方式為T(mén)hreadname test = new ThreadName()，使用Runnable接口創(chuàng)建的類(lèi)調(diào)用線程，其方式為T(mén)hreadname test = new RunableTest threadname()；Thread RunanbleTest = new thread(test),最終創(chuàng)建的線程為thread RunableTest.start()。

第二，其他調(diào)用方式。1) wait()方法的作用是立即停止當(dāng)前線程，使其處于等待的狀態(tài)，與此同時(shí)，使用wait()方法處理的線程將會(huì)被置入鎖對(duì)象的等待隊(duì)列中。該線程是否再次執(zhí)行，取決于notify。這一方法使用場(chǎng)景為具有同步作用的代碼塊。2) notify()方法，其作用是喚醒處于等待狀態(tài)下的線程，其使用的位置也是必須在具有同步作用的代碼塊中。3) notifyAll()方法的作用也是喚醒處在等待狀態(tài)下的線程，但其特點(diǎn)是具有普遍性，所有線程均適用。4) join()方法。這一方法在代碼中調(diào)用之后，線程就會(huì)形成一個(gè)隊(duì)列的機(jī)制，當(dāng)前正在執(zhí)行的線程會(huì)暫時(shí)阻塞，join()所屬的線程會(huì)立即執(zhí)行其run()方法，等到其所屬線程執(zhí)行完畢之后，再去執(zhí)行之前受到阻塞的線程的后續(xù)代碼功能。5) 管道。Java中的線程通信經(jīng)常采用管道流的方式，在具體應(yīng)用時(shí)要?jiǎng)?chuàng)建管道的輸出流和輸入流，實(shí)現(xiàn)方式分別為PipedOutputStream pos 和 PipedInputStream pis 。將pos賦給信息輸入線程，而pis賦給信息獲取線程，線程間的通信就此實(shí)現(xiàn)。

第三，優(yōu)化多線程通信的措施。在Java中，服務(wù)器和客戶端之間的通信非常依賴于Socket對(duì)象，該對(duì)象生成之后可用于完成請(qǐng)求應(yīng)答。如果用戶發(fā)起另一個(gè)請(qǐng)求，之前已經(jīng)完成工作的Socket對(duì)象就需要重新連接一次，這樣會(huì)嚴(yán)重消耗服務(wù)器資源。在編程層面可利用ReadMessageThread類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)多客戶端的同步管理，系統(tǒng)的安全性會(huì)大幅提升，資源利用率也會(huì)更高。另外，sercerSocket.accept()方法在服務(wù)器端口執(zhí)行一次，這就導(dǎo)致服務(wù)器和客戶端之間的通信只能實(shí)現(xiàn)一次，解決這一問(wèn)題的方法是讓服務(wù)器和客戶端之間的Socket對(duì)象形成虛擬連接。

3 結(jié)束語(yǔ)

Java多線程技術(shù)是其優(yōu)異性能的重要體現(xiàn)，在多線程技術(shù)的支持下，使用Java語(yǔ)言制作的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大多具有運(yùn)行效率高、高并發(fā)負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但多線程技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中必須重視通信設(shè)計(jì)。在技術(shù)層面主要依靠消息傳遞、共享內(nèi)存等原理。