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1-1 行程 Process 與執行緒 Thread 觀念

1-1 行程 Process 與執行緒 Thread 觀念. 一個行程可以有多個執行緒。執行緒也稱為小的行程，執行緒可以節省更多的記憶體，也比行程更有效能。一個行程就是一個程式正在執行。當我們在終端機下達指令時，作業系統就會建立一個行程，而當我們的程式執行完時，這個行程就被終止了。在一個分時系統的作業系統，允許多個使用者使用電腦系統，而許多行程也同步的被執行。像我們的個人電腦，一般只有一顆 CPU 中央處理器，但卻同時的處理多個行程，而這就分是分時系統。

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1-1 行程 Process 與執行緒 Thread 觀念

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  1. 1-1行程Process與執行緒Thread觀念 一個行程可以有多個執行緒。執行緒也稱為小的行程，執行緒可以節省更多的記憶體，也比行程更有效能。一個行程就是一個程式正在執行。當我們在終端機下達指令時，作業系統就會建立一個行程，而當我們的程式執行完時，這個行程就被終止了。在一個分時系統的作業系統，允許多個使用者使用電腦系統，而許多行程也同步的被執行。像我們的個人電腦，一般只有一顆CPU中央處理器，但卻同時的處理多個行程，而這就分是分時系統。 當我們執行程式時，電腦作業系統就會使用new幫我們產生新的行程，而當我們的行程就緒(ready)時，而核心又排班分配CPU中央處理器給他時，他就會開始執行running，直到執行結束terminated(或Zombie)。當然在過程中也有可能發生像系統呼叫的System call而發生中斷，或者改成其它行程執行(被preempt)，這時我們的行程就會回到就緒ready的狀態。當然在過程中也可能發生像輸入/輸出I/O或事件等待(sleep)，此時，CPU是在閒置waiting的狀態，而當我們的輸入/輸出或事件完成時(被wake up)，才會到就緒ready，等待下一次排班分配CPU中央處理器，直到結束(zombie或terminated)。

  2. 在分時系統中一個行程在它整個生命期，將在各種不同的排班佇列中，這當然要看我們的需要設計，以及作業系統的設計。因此作業系統需按排班方式從佇列中選出行程，讓所選出的行程讓中央處理器CPU來執行。而我們所執行的程式也可能只執行一下子，然後就等待輸入/輸出I/O的要求，但I/O的時間，比CPU所需執行的時間大上很多。在整批作業系統中，大部份的行程都會以spooling儲存池的方式存到硬碟或大型儲存裝置，等待一個一個的執行。在分時系統中一個行程在它整個生命期，將在各種不同的排班佇列中，這當然要看我們的需要設計，以及作業系統的設計。因此作業系統需按排班方式從佇列中選出行程，讓所選出的行程讓中央處理器CPU來執行。而我們所執行的程式也可能只執行一下子，然後就等待輸入/輸出I/O的要求，但I/O的時間，比CPU所需執行的時間大上很多。在整批作業系統中，大部份的行程都會以spooling儲存池的方式存到硬碟或大型儲存裝置，等待一個一個的執行。 • 分時系統的中程排班程式是將行程從記憶體中移開，因此而降低多元程式規化的程度，然後再將行程放回記憶體中，並且放在它移開前的位置繼續執行，這種方法稱為swapping，如下圖所示。

  3. 1-1-1執行緒狀態 • 執行緒為小的行程，因此行程有的狀態，執行緒都有。這是在Java中執行緒的狀態。 • 當我們使用new來新增執行緒new Thread(r)，這個執行是還沒有執行，因為它在new新增的狀態。當一個執行緒在new的狀態，程式尚未執行程式碼。 • 當我們呼叫start方法，這個程式就是可以準備執行runnable。一個runnable可執行的執行緒，它等待作業系統分配CPU的時間給這個執行緒來run跑。 • 當一個執行緒在可執行時runnable，它可能有三個狀態，分別是等待、timed waiting休息(或稱為sleep)和終止terminated。等待和休息teimed waiting都是屬於封鎖block的情況。當執行緒sleep休息時，它就會到teimed waiting休息的狀態。當執行緒操作I/O存取資料時，這時就會在wait等待，直到I/O的操作完成後，執行緒才會回到runnable可執行的狀態。 • 有幾個狀態會讓執行緒由封鎖block的狀態轉移到runnable可執行的狀態。當執行緒在休息tiemed waiting(sleep)時，當休息時間滿了，就會回到runnable的可執行狀態。當一個執行緒等待wait一個條件，而其它的執行緒通知signal給這個執行緒條件已改變，這時這個執行緒就會回到runnable可執行的狀態。 • 有幾個狀態會讓執行緒由runnable可執行的狀態轉移到terminated終止的狀態。當執行緒正常完成工作，它就會到終止terminated的狀態，然後結束。當例外發生終止run()函數時，執行緒會突然的終止。

  4. 1-2建立執行緒 • 這是Thread類別的函數。我們無法知道執行緒是可執行runnable還是被封鎖blocked。我們也無法得知執行緒是runnable正在執行或已經終止了。

  5. 執行緒類別也有屬性。在Java程式設計的語言中，每一個執行緒都有優先權priority。我們可以設定執行緒的優先權，使用setPriority()函數。我們可以設定執行緒的優先權在MIM_PRIORITY(1)到MAX_PRIORITY(10)之間，NORM_PRIORITY預設是5。當執行緒排程要選取執行緒時，它會先選取高優先權的執行緒來執行。但是執行緒的屬性是由作業系統和硬體所支援。例如Windows XP有七個優先權的層度。一些Java的優先權將對應到這作業系統。

  6. Thread類別實作java.lang.Runable介面。

  7. 範例：ThreadTest.java • 我們自訂執行緒PChar類別和PNum類別和是繼承java.lang.Thread類別，因此我們的PChar類別和PNum類別是自訂的執行緒類別。

  8. 第二行為我們的main()函數，程式由此開始執行。第二行為我們的main()函數，程式由此開始執行。 • 第三行新增自訂執行緒類別PChar的物件t，它會列印字元t，50次。 • 第四行新增自訂執行緒類別PChar的物件r，它會列印字元r，50次。 • 第五行新增自訂執行緒類別PNum的物件print50，它會列印從1到50的數字。 • 第六行的start()函數被呼叫來啟動執行緒t的run()函數執行running。 • 第七行的start()函數被呼叫來啟動執行緒r的run()函數執行running。 • 第八行的start()函數被呼叫來啟動執行緒print50的run()函數執行running。 • 第十一行到第二十三行為我們自訂的PChar類別，它繼承了Thread類別。 • 第十五行到第十八行為PChar()的建構子。 • 第十九行到第二十三行為run()函數，它會執行列印字元t。 • 第二十四行到第三十四行為自訂的PNum類別，它繼承了Thread類別。 • 第二十六行到第二十八行為PNum()的建構子。 • 第三十行到第三十三行為run()函數，它會執行列印1到n的數字。

  9. 這個程式有三個獨立的執行緒。因為我們使用執行緒來執行，執行緒它有優先順序。當某個執行緒它執行一段時間後，它的優先權會變低，因此排程就會將CPU的時間分配給較高優先權的執行緒。當執行緒等待一些時間後，它的優先權會變高，高過正在執行runnable的執行緒時，它就會把CPU搶過來preempt，讓高優先權的轉移到可執行runnable狀態。因此這三個執行緒搶來搶去的執行。這個程式有三個獨立的執行緒。因為我們使用執行緒來執行，執行緒它有優先順序。當某個執行緒它執行一段時間後，它的優先權會變低，因此排程就會將CPU的時間分配給較高優先權的執行緒。當執行緒等待一些時間後，它的優先權會變高，高過正在執行runnable的執行緒時，它就會把CPU搶過來preempt，讓高優先權的轉移到可執行runnable狀態。因此這三個執行緒搶來搶去的執行。

  10. 1-3Thread群組 • Thread群組就是一群執行緒。有一些程式包含相似功能的少數執行緒，我們可以將它們群組起來。例如我們可以在同一時間暫停或恢復一群Thread。 • 我們使用ThreadGroup建構子來建構Thread群組。 • ThreadGroup tg=new ThreadGroup() • 我們使用Thread建構子，在ThreadGroup群組放置thread。我們建立一個執行緒，並且將它放置到thread群組中。 • Thread t=new Thread(tg,new ThreadClass(),執行緒的標籤); • 我們使用activeCount()函數來查詢有多少在群組中的執行緒正在執行。這顯示了在tg群組中正在執行的執行緒數量。 • System.out.println(tg.activeCount()); • 每一個執行緒都屬於一個執行緒群組。預設，一個新建立的執行緒屬於生產它的執行緒群組。我們使用getThreadGroup()方法來找尋執行緒群組名稱。 • 我們可以使用在執行緒群組的start()函數來各別的啟動每一個執行緒。

  11. 1-4執行緒的同步和合作 • 假如一個可被分享的資源同時的被多個執行緒存取，這個資源可能會發生錯誤。在作業系統中，因為資源有限，但同時卻有多個行程或應用程式來存取它，這時就會發生搶資源的情況發生，而造成資料結果不一致的情況發生，因此如何讓行程或應用程式有秩序的存取有限資源，這和同步和合作有關。

  12. 1-4-1沒有同步存取資源的範例 • 這是一個有限資源，卻由多個執行緒同時存取它，造成資料不一致的情況發生。 • 範例：WithoutSync.java • 假設我們建立和執行50個執行緒，每一個執行緒都會將一元存入銀行帳號。我們假設一開始存款balance為0元，然後再將1元存入。

  13. 第二行我們建立Account帳號類別物件account。， • 第三行我們建立執行緒陣列，並放入50個執行緒。 • 第四行到第九行為main()函數，它會執行兩遍存款50次執行緒的動作。 • 第五行新增WithoutSync類別的物件test。 • 第六行使用test.account.getBalance()來得到銀行存款帳戶的金額。 • 第七行再新增WithoutSync類別的物件test1。 • 第六行再使用test1.account.getBalance()來得到銀行存款帳戶的金額。 • 第十行到第二十行為WithoutSync類別的建構子。 • 第十一行新增ThreadGroup執行緒群組類別物件g。 • 第十四行新增執行緒，並將它放到thread[i]陣列中。 • 第十五行使用thread[i].start()來啟動第i個執行緒。 • 第二十一行到第二十五行為AddAPennyThread執行緒類別，它繼承了Thread執行緒類別。 • 第二十二行到第二十四行為AddApennyThread執行緒類別的run()函數，它會存1元到銀行帳戶中。 • 第二十六行到第四十三行是建立帳號Account類別。 • 第二十九行到第三十一行定義getBalance()函數，他們會回傳balance帳戶的存款金額。 • 第三十三行到第四十二行的deposit()存款函數，帶入整數amount的存款。 • 第三十六行的Thread.sleep(1)會讓執行緒休息百萬分之一秒，這時期它的執行緒就有可能執行，而產生資料不一致的情況，因此將第三十五行到第三十九行去掉，則不一致的情況就不會發生了。因為執行緒互相在搶存入balance的資源。 • 第三十四行將銀行的帳戶金額balance加上存款amount。 • 第三十四行到第四十一行稱為critical region關鍵區域。 • 第十八行的g.activeCount()是會得到目前執行緒群組還存活的數量，當所有執行緒都執行完，它就會回傳true，就會跳出while迴圈。

  14. 兩次銀行帳戶的存款一開始都為0，執行完50個執行緒後，應該有50元，但是兩次結果都不是50元，因此這個結果是不可預定的。當所有執行緒同時存取deposite()函數時，這個資料就會發生錯誤不一致。兩次銀行帳戶的存款一開始都為0，執行完50個執行緒後，應該有50元，但是兩次結果都不是50元，因此這個結果是不可預定的。當所有執行緒同時存取deposite()函數時，這個資料就會發生錯誤不一致。 • 將第三十五行到第三十九行拿掉，因為這是會讓程式錯誤發生的情況。

  15. 因為執行程式沒有一次執行完，中間又休息，這時又有另外一個程式在執行存取相同的資料，這時就會發生資源存取不一致的情況發生。Thread[i]執行緒i在執行讓newBalacne的值為1。在時間2，執行緒[i]先休息sleep，這時後還沒將1的資料存入到balance中。Thread[j]執行緒j這時後在時間2的地方開始執行，這時取到balance的資料為0，因此0+1為1，newBalance的資料為1，然後再休息1的時間。在時間3，Thread[i]將newBalance的資料1給balance。在時間3Thread[j]為休息。在時間4，Thread[j]將newBalance的資料1給balance，這時balance銀行帳戶存款的結果為1。因為執行程式沒有一次執行完，中間又休息，這時又有另外一個程式在執行存取相同的資料，這時就會發生資源存取不一致的情況發生。Thread[i]執行緒i在執行讓newBalacne的值為1。在時間2，執行緒[i]先休息sleep，這時後還沒將1的資料存入到balance中。Thread[j]執行緒j這時後在時間2的地方開始執行，這時取到balance的資料為0，因此0+1為1，newBalance的資料為1，然後再休息1的時間。在時間3，Thread[i]將newBalance的資料1給balance。在時間3Thread[j]為休息。在時間4，Thread[j]將newBalance的資料1給balance，這時balance銀行帳戶存款的結果為1。 • 兩個執行緒搶資源執行的結果，造成資料存取不一致的現象而發生錯誤。

  16. 1-4-2同步的範例 • 我們在這裏為了讓程式能夠一次由一個執行緒執行完，讓資料能夠一致性的存取，我們使用lock鎖的觀念。Lock鎖就是將關鍵區域critical region鎖住的程式區塊，一次只允許一個執行緒來存取，直到unlock解開鎖為止。這樣可以保證資料存取一致的情況。 • JDK5.0使用ReentrantLock類別，它為lock鎖的類別。它是在java.util.concurrent.locks.ReentrantLock套件類別。ReentrantLock()為它的建構子，它可以用來保護關鍵區域critical region。ReentrantLock類別中的lock()方法是取得鎖，unlock()方法是釋放鎖。 • 範例：Sync.java • 第一行我們輸入java.util.concurrent.*。 • 第二行我們輸入鎖的套件java.util.concurrent.locks.*。 • 第三十行我們新增一個ReentrantLock()靜態物件的鎖lock。 • 第三十六行到第四十五行我們使用鎖lock來鎖住關鍵區域critical region。 • 第三十六行使用lock.lock()來鎖住。 • 第四十四行使用lock.unlock()來解開鎖。

  17. 這是執行的情況。

  18. 1-4-3Syncronized同步化關鍵字 • 我們也可以使用syncronized關鍵字來保護資料，它可以保證資料被同步存取。 • public synchronized void deposit(int amount)。一個synchronized同步化的函數在執行前會需要一個鎖。在這實體函數的範例，當函數被呼叫時，一個鎖lock就會被啟動。在這靜態函數的範例中，鎖是在類別上。假如執行緒呼叫一個在物件上synchronized同步化的實體函數，這物件的鎖就會被獲得，當函數執行完後，這物件的鎖就會被釋放。其它執行緒在這段期間呼叫這個物件synchronized同步化的方法，將被檔住，直到這個函數執行完，鎖被釋放unlocked為止。

  19. 我們在deposit()函數前加上synchronized關鍵字。 • 範例：WithoutSync3.java • 假如我們無法修改deposit()函數，我們可以新增一個synchronized同步的方法來呼叫deposit()函數。 • 語法： • synchronized(expr){ • statement； • } • 這個expr運算式一定要是物件的參考。假如這個物件已經被其它執行緒鎖住locked，其它執行緒在鎖解開前是不可以存取這個物件的。synchronized同步化敘述讓我們獲得鎖用在物件上，所以我們可以同步存取物件，而不是只有在方法上。

  20. 範例：WithoutSync5.java • 第二十五行到第二十七行使用synchronized()函數來同步化物件account，我們將鎖加入到該物件，直到第二十六行的敘述執行完才解開鎖。

  21. 1-4-4執行緒的合作 • 執行緒同步化是未了避免資源競爭的情況發生，我們可以讓關鍵區域critical region的多個執行緒能夠互斥mutual來達成，但有時後執行緒間還是要合作。wait()、notify()和notifyAll()函數可以用來幫助執行緒間作溝通。wait()函數會讓執行緒等待wait，直到某個條件發生。當它發生時，我們可以使用notify()函數或者是notifyAll()函數來通知這waiting等待的執行緒來恢復一般的執行。notifyAll()函數叫醒所有waiting等待的執行緒，而notify()則從等待的佇列叫醒一個執行緒。 • wait()、notify()和notifyAll()函數必需被在一個同步synchronized的函數或同步synchronized的區塊內呼叫，並且在這些函數的接收物件上，否則IllegalMonitorStateException例外將會發生。 • 在執行緒1時，當condition條件為假時，它會執行while迴圈，執行anObject.wait()函數，等待人來解救它，它會一直等待wait，直到執行緒2執行synchronized()同步函數，並且在裏面使用anObject物件的notify()函數來叫醒它。這時後執行緒1又再會繼續執行while迴圈。

  22. 一個同步的鎖lock必需被在wait等待或notify通知的物件上獲得。當wait()函數被呼叫時，它暫停這個執行緒，而且同步的釋放在物件上的鎖lock。當這執行緒被通知notify而啟動時，這鎖將自動的被獲得。一個同步的鎖lock必需被在wait等待或notify通知的物件上獲得。當wait()函數被呼叫時，它暫停這個執行緒，而且同步的釋放在物件上的鎖lock。當這執行緒被通知notify而啟動時，這鎖將自動的被獲得。 • 範例：Cooperation.java • 這是銀行存款執行緒1和銀行提款執行緒2，但是銀行的帳戶永遠的金額都大於0。這是典型銀行存款的執行緒合作。 • 第二行我們新增Account類別的物件account。 • 第三行新增存款執行緒DepositThread類別的物件t1。 • 第四行新增提款執行緒WithdrawThread類別的物件t2。 • 第五行到第八行是main()函數，程式執行的地方。 • 第六行會新增Cooperation類別的物件test，這時後Cooperation開始執行。 • 第九行到第十二行是Cooperation的建構子。它讓執行緒1和執行緒2開始執行。 • 第十三行到第二十五行是定義存款執行緒。 • 第十四行到第二十四行是run()函數，當執行緒1.start()被呼叫時它就會被執行。 • 第十六行是呼叫account.deposit()來作存款的動作。 • 第十八行Thread.sleep(100)是讓存款執行緒休息百萬分之100秒，這時就換提款執行緒WithdrawThread會執行。 • 第二十六行到第三十二行是定義WithdrawThread提款執行緒。 • 第二十九行account.withdraw()會作提款的動作，也就是將銀行的帳戶金額作減少。

  23. 第三十三行到第五十四行是定義Account銀行帳戶類別。第三十三行到第五十四行是定義Account銀行帳戶類別。 • 第三十四行定義balance為銀行帳戶存款金額。 • 第三十五行到第三十七行會回傳銀行帳戶存款金額。 • 第三十八行到第四十二行定義同步化synchronized的存款deposit()函數。 • 第三十九行balance+=amount是存款amount金額到balance帳戶。 • 第四十一行使用this.notify()來告知這個物件，讓在wait()的物件醒來。 • 第四十三行到第五十三行定義同步化synchronized的提款withdraw()函數。 • 第四十五行到第四十六行為while迴圈，當存款金額小於0時，就會執行這個迴圈，然後wait。當存款後(執行存款執行緒DepositThread)，它會執行第十六行的存款，然後執行第四十一行的notify()函數來告知account物件的wait()函數醒來，再執行第四十五行while迴圈。 • 第五十一行balance=balance-amount是將銀行帳戶的balance減去amount金額，也就是從帳戶提款amount。 • 第四十一行使用this.notify()來告知這個物件，讓在wait()的物件醒來。

  24. 當銀行帳戶的金額小於提款時，這時後就會到wait等待的狀態，直到執行緒1，將存款存入notify()，而銀行帳戶的存款不小於0時才會顯示銀行帳戶的金額，因此看到的銀行帳戶金額都不小於0。當銀行帳戶的金額小於提款時，這時後就會到wait等待的狀態，直到執行緒1，將存款存入notify()，而銀行帳戶的存款不小於0時才會顯示銀行帳戶的金額，因此看到的銀行帳戶金額都不小於0。 • 死結deadlock的發生，當一個正在waiting的執行緒不能再動時，因為執行緒1在等待執行緒2來處理，但是執行緒2也同時不能再動，因為執行緒2等待執行緒1來處理。兩個執行緒互相等待對方，所以死結就發生了，兩個都不會動了。

  25. 1-5執行緒範例實作 • 在SynchTest類別中，我們將銀行Bank類別帳戶的錢作移動TransferRun，當某個帳戶的金額小於要移動的amount金額，這時它就會等待，等到其它帳戶將金錢移動到它帳戶時，而且這個帳戶的金額大於移動的金額amount時，這個帳戶的執行緒就會開始執行移動的動作。這是UML的圖。SynchTest為我們的主程式類別。 • TransferRun移動金錢類別實作Runnable介面。Thread執行緒是由TransferRun物件所組成，Thread類別會啟動TransferRun實體的run()函數。SynchTest類別則由Thread和Bank實體所組成。

  26. 範例：SynchTest.java • 第一行輸入java.util.concurrent.locks.* 套件的所有類別。 • 第十行到第十五行為for迴圈，它會執行十次迴圈。 • 第十二行新增TransferRun類別物件r。 • 第十三行新增執行緒類別物件r，並且將r物件(runnable)帶入建構子中。 • 第十四行使用t.start()來啟動執行緒。 • 第七十二行到第九十九行為TransferRun類別，它會實作runnable介面，它會完成run()函數。它是將銀行帳戶的錢從fromAccount移動到toAccount帳戶，使用move()函數。 • 第十八行到第七十行為Bank類別。 • 第二十三行到第三十行為Bank類別的建構子。 • 第二十八行新增ReentrantLock鎖類別物件為bankLock。 • 第二十九行使用ReenttrantLock鎖類別的方法newCondition()來新增Condition類別物件sufficientFunds。Condition條件類別的物件sufficientFunds可以和Lock實體一起用。 • 第三十一行到第四十九定義move()函數，它會丟出InterruptedException中斷例外，它是將from帳號的amount金額移動到to帳號去。 • 第三十三行使用bankLock.lock()的鎖。

  27. 第三十六行到第三十七行為while迴圈，當from帳號的金額小於amount移動的金額時，它就會等待，直到其它執行緒執行move()將錢移動到這個帳戶，然後在signalAll()通知它sufficientFunds，這時後才會再執行第三十六行的while迴圈來判別是否from的金額大於移動amount的金額，如果是則到第三十八行。第三十六行到第三十七行為while迴圈，當from帳號的金額小於amount移動的金額時，它就會等待，直到其它執行緒執行move()將錢移動到這個帳戶，然後在signalAll()通知它sufficientFunds，這時後才會再執行第三十六行的while迴圈來判別是否from的金額大於移動amount的金額，如果是則到第三十八行。 • 第三十八行會顯示目前執行緒的名稱Tread.currentThread()。 • 第三十八行到第四十二行為關鍵區域critical region，它會將from帳號的錢amount移動到to帳號去，也就是作一加一減的動作。 • 第四十三行是通知signal所有sufficientFunds條件鎖物件。 • 第四十七行最後解開鎖。 • 第五十行到第六十六行為getTotalBalance，它會將陣列accounts的所有元素值，也就是將所有帳號的金額加起來，這就是帳號總金額，然後回傳。 • 第五十二行到第六十四行為關鍵區域，所以使用鎖bankLock來將它鎖住。 • 第七十二行為TransferRun類別，它實作了Runnable介面。 • 第七十八行我們定義DELAY為0.1秒。在Java中百萬分之一秒為單位。 • 第七十九行到第八十四行為定義TransferRun建構子。 • 第八十五行到第九十八行為實作Runnable介面的run()函數。 • 每一個執行緒物件都有TransferRun類別的物件，它會執行run()函數。 • 第九十三行為移動帳戶間的移動金錢move()。 • 第九十四行為執行緒休息sleep()。

  28. 這是帳戶間移動金錢的情況。

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