第11章任務11——設計考試系統(tǒng)中的倒計時11.1任務描述11.2技術概覽11.3任務實施 11.1任務描述

本章的任務是設計倒計時?？荚囅到y(tǒng)中的倒計時功能是必不可少的功能之一，當考生成功登錄考試系統(tǒng)后，點擊【開始考試】按鈕，則計時系統(tǒng)開始倒計時。當考試時間結束時，系統(tǒng)將彈出相應的對話框提示并退出考試。如圖11-1所示，在我們所設計的考試系統(tǒng)中，時間的顯示在整個界面的上方，使得考生能清晰地看到時間的顯示，把握好考試時間。Java利用線程技術可以實現(xiàn)時間的動態(tài)刷新和顯示，從而可以實現(xiàn)時間的同步顯示。圖11-1倒計時運行效果 11.2技術要點

本章的技術要點是多線程技術。在傳統(tǒng)的程序設計中，程序運行的順序總是按照事先編制好的流程來執(zhí)行的，遇到if-else語句就加以判斷；遇到for、while語句若滿足循環(huán)條件就重復執(zhí)行相關語句。這種進程(程序)內(nèi)部的一個順序控制流稱為“線程”。到目前為止，我們所編寫的程序都是單線程運行的，也即在任意給定的時刻，只有一個單獨的語句在

執(zhí)行。多線程機制下則可以同時運行多個程序塊，相當于并行執(zhí)行程序代碼，使程序運行的效率變得更高。事實上，真正意義上的并行處理是在多處理器的前提下，同一時刻執(zhí)行多種任務。在單處理器的情況下，多線程通過CPU時間片輪轉(zhuǎn)來進行調(diào)度和資源分配，使得單個程序可以同時運行多個不同的線程，執(zhí)行不同的任務。由于CPU處理數(shù)據(jù)的速度極快，操作系統(tǒng)能夠在很短的時間內(nèi)迅速在各線程間切換執(zhí)行，因此看上去所有線程在同一時刻幾乎是同時運行的。多線程執(zhí)行的方式如圖11-2所示。圖11-2多線程執(zhí)行方式多線程是實現(xiàn)并發(fā)機制的一種有效手段。進程和線程一樣，都是實現(xiàn)并發(fā)性的一個基本單位。相對于線程，進程是程序的一次動態(tài)執(zhí)行過程，它對應了從代碼加載、執(zhí)行以及執(zhí)行完畢的一個完整過程，這個過程也是進程本身從產(chǎn)生、發(fā)展到消亡的過程。每一個進程的內(nèi)部數(shù)據(jù)和狀態(tài)都是完全獨立的?；谶M程的多任務操作系統(tǒng)能同時運行多個進程(程序)，例如在使用Word編輯文檔的同時可以播放音樂。

線程和進程的主要差別體現(xiàn)在如下兩個方面：

(1)同樣作為基本的執(zhí)行單元，線程的劃分比進程小。

(2)每個進程都有一段專用的內(nèi)存區(qū)域。與此相反，線程卻共享內(nèi)存單元(包括代碼和數(shù)據(jù))，通過共享的內(nèi)存單元來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、實時通信與必要的同步操作。

11.2.1線程的創(chuàng)建

在Java程序中，線程是以線程對象來表示的，也即在程序中，一個線程對象代表了一個可以執(zhí)行程序片段的線程。Java中提供了兩種創(chuàng)建線程的方法：擴展Thread類或?qū)崿F(xiàn)Runnable接口來創(chuàng)建線程。其中，Thread類和Runnable接口都定義在包java.lang中。

1．擴展Thread類以創(chuàng)建線程

直接定義Thread類的子類，重寫其中的run()方法，通過創(chuàng)建該子類的對象就可以創(chuàng)建線程。Thread類中包含了創(chuàng)建線程的構造函數(shù)以及控制線程的相關方法，如表11-1所示。表11-1Thread類的常用構造函數(shù)及方法創(chuàng)建和執(zhí)行線程的步驟如下：

(1)創(chuàng)建一個Thread類的子類，該類必須重寫Thread類的run()方法。

class類名稱extendsThread //從Thread類擴展出子類

{成員變量；

成員方法；

publicvoidrun() //重寫Thread類的run()方法

{線程處理的代碼

}

}

(2)創(chuàng)建該子類的對象，即創(chuàng)建一個新的線程。創(chuàng)建線程對象時會自動調(diào)用Thread類定義的相關構造函數(shù)。

(3)用構造函數(shù)創(chuàng)建新對象之后，這個對象中的有關數(shù)據(jù)被初始化，從而進入線程的新建狀態(tài)，直到調(diào)用了該對象的start()方法。

(4)線程對象開始運行，并自動調(diào)用相應的run()方法。例11-1ThreadDemo1.java

1classMyThreadextendsThread{

2publicvoidrun(){

3for(inti=1;i<=10;i++)

4System.out.println(this.getName()+":"+i);

5}

6}

7publicclassThreadDemo1{

8publicstaticvoidmain(String[]args){

9MyThreadt=newMyThread();

10t.start(); 11}

12}

程序運行結果如圖11-3所示。圖11-3ThreadDemo1.java的運行結果從上例我們可以看到一個簡單的定義線程的過程，在此要注意run()方法是在線程啟動后自動被系統(tǒng)調(diào)用的，如果顯式地使用t.run()語句則方法調(diào)用將失去線程的功能。其中，Thread-0是默認的線程名，也可以通過setName()為其命名。

從程序及運行結果看，似乎僅存在一個線程。事實上，當Java程序啟動時，一個特殊的線程——主線程(mainthread)自動創(chuàng)建了，它的主要功能是產(chǎn)生其他新的線程，以及完成各種關閉操作。從例11-2中我們可以看到主線程和其他線程共同運行的情況。例11-2ThreadDemo2.java

1classMyThreadextendsThread{

2MyThread(Stringstr){

3 super(str);

4}

5publicvoidrun(){

6for(inti=1;i<=5;i++)

7System.out.println(this.getName()+":"+i);

8}

9}

10publicclassThreadDemo2{ 11publicstaticvoidmain(String[]args){

12MyThreadt1=newMyThread("線程1");

13MyThreadt2=newMyThread("線程2");

14t1.start();

15t2.start();

16for(inti=1;i<=5;i++)

17System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);

18}

19}

程序運行結果如圖11-4所示。圖11-4ThreadDemo2.java多次運行產(chǎn)生的不同結果

2．實現(xiàn)Runnable接口以創(chuàng)建線程

上述通過擴展Thread類創(chuàng)建線程的方法雖然簡單，但是Java不支持多繼承，如果當前線程子類還需要繼承其他多個類，此時必須實現(xiàn)接口。Java提供了Runnable接口來完成創(chuàng)建線程的操作。在Runnable接口中，只包含一個抽象的run()方法。

publicinterfaceRunnable{

publicabstractvoidrun()

}利用Runnable接口創(chuàng)建線程，須首先定義一個實現(xiàn)Runnable接口的類，在該類中必須定義run()方法的實現(xiàn)代碼。

classMyRunnableimplementsRunnable

{

publicvoidrun()

{

//新建線程上執(zhí)行的代碼

}

}直接創(chuàng)建實現(xiàn)了Runnable接口的類的對象并不能生成線程對象，還必須定義一個Thread對象，通過使用Thread類的構造函數(shù)去新建一個線程,并將實現(xiàn)Runnable接口的類的對象引用，作為參數(shù)傳遞給Thread類的構造函數(shù)，最后通過start()方法來啟動新建線程?；静襟E如下：

MyRunnabler=newMyRunnable();

Threadt=newThread(r);

t.start;

我們將例11-2改寫為通過實現(xiàn)Runnable接口來創(chuàng)建線程，代碼如例11-3所示。例11-3RunnerDemo.java

1classMyRunnerimplementsRunnable{

2publicvoidrun(){

3Strings=Thread.currentThread().getName();

4for(inti=1;i<=10;i++)

5System.out.println(s+":"+i);

6}

7}

8publicclassRunnerDemo{

9publicstaticvoidmain(String[]args){

10MyRunnerr1=newMyRunner();11Threadt1=newThread(r1,"線程1");

12Threadt2=newThread(r1,"線程2");

13t1.start();

14t2.start();

15for(inti=1;i<=10;i++)

16System.out.println("main主線程"+":"+i);

17}

18}11.2.2線程的管理

1．線程的狀態(tài)

線程在它的生命周期中一般具有五種狀態(tài)，即新建、就緒、運行、堵塞和死亡。線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖11-5所示。圖11-5線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

1)新建狀態(tài)(newThread)

在程序中用構造函數(shù)創(chuàng)建了一個線程對象后，新生的線程對象便處于新建狀態(tài)。此時，該線程僅僅是一個空的線程對象，系統(tǒng)不為它分配相應資源，并且它還處于不可運行狀態(tài)。

2)就緒狀態(tài)(Runnable)

新建線程對象后，調(diào)用該線程的start()方法就可以啟動線程。當線程啟動時，線程進入就緒狀態(tài)。此時，線程將進入線程隊列排隊，等待CPU服務，這表明它已經(jīng)具備了運行條件。

3)運行狀態(tài)(Running)

當就緒狀態(tài)的線程被調(diào)用并獲得處理器資源時，線程進入運行狀態(tài)。此時，自動調(diào)用該線程對象的run()方法。run()方法中定義了該線程的操作和功能。

4)阻塞狀態(tài)(Blocked)

一個正在執(zhí)行的線程在某些特殊情況下，放棄CPU而暫時停止運行，如被人為掛起或需要執(zhí)行費時的輸入、輸出操作時，將讓出CPU并暫時中止自己的執(zhí)行，進入阻塞狀態(tài)。在運行狀態(tài)下，如果調(diào)用sleep()、suspend()、wait()等方法，線程將進入阻塞狀態(tài)。阻塞狀態(tài)中的線程，Java虛擬機不會為其分配CPU，直到引起堵塞的原因被消除后，線程才可以轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，從而有機會轉(zhuǎn)到運行狀態(tài)。

5)死亡狀態(tài)(Dead)

線程調(diào)用stop()方法時或run()方法執(zhí)行結束后，線程即處于死亡狀態(tài)，結束了生命周期。處于死亡狀態(tài)的線程不具有繼續(xù)運行的能力。

2．線程的優(yōu)先級

在多線程的執(zhí)行狀態(tài)下，我們并不希望按照系統(tǒng)隨機分配時間片方式給一個線程分配時間。因為隨機性將導致程序運行結果的隨機性。因此，在Java中提供了一個線程調(diào)度器來監(jiān)控程序中啟動后進入可運行狀態(tài)的所有線程。線程調(diào)度器按照線程的優(yōu)先級決定調(diào)度哪些線程來執(zhí)行，具有高優(yōu)先級的線程會在較低優(yōu)先級的線程之前得到執(zhí)行。同時，線程的調(diào)度是搶先式的，即如果當前線程在執(zhí)行過程中，一個具有更高優(yōu)先級的線程進入可執(zhí)行狀態(tài)，則該高優(yōu)先級的線程會被立即調(diào)度執(zhí)行。在Java中，線程的優(yōu)先級是用整數(shù)表示的，取值范圍是1～10。Thread類中與優(yōu)先級相關的三個靜態(tài)常量如下：

■低優(yōu)先級：Thread.MIN_PRIORITY，取值為1。

■缺省優(yōu)先級：Thread.NORM_PRIORITY，取值為5。

■高優(yōu)先級：Thread.MAX_PRIORITY，取值為10。

線程被創(chuàng)建后，其缺省的優(yōu)先級是缺省優(yōu)先級Thread.NORM_PRIORITY?？梢杂梅椒╥ntgetPriority()來獲得線程的優(yōu)先級，同時也可以用方法voidsetPriority(intp)在線程被創(chuàng)建后改變線程的優(yōu)先級。

3．線程的調(diào)度

在實際應用中，一般不提倡依靠線程優(yōu)先級來控制線程的狀態(tài)，Thread類中提供的關于線程調(diào)度控制的方法如表11-2所示。使用這些方法可將運行中的線程狀態(tài)設置為阻塞或就緒，從而控制線程的執(zhí)進。表11-2線程調(diào)度控制的常用方法

1)線程的睡眠(sleep)

線程的睡眠是指運行中的線程暫時放棄CPU，轉(zhuǎn)到阻塞狀態(tài)。通過調(diào)用Thread類的sleep()方法可以使線程在規(guī)定的時間內(nèi)睡眠，在設置的時間內(nèi)線程會自動醒來，這樣便可暫緩線程的運行。線程在睡眠時若被中斷將會拋出一個InterruptedException異常，因此在使用sleep()方法時必須捕獲InterruptedException異常。

在例11-4中，利用線程的sleep()方法實現(xiàn)了每隔1秒輸出0～9十個整數(shù)。例11-4SleepDemo.java

1classSleepDemoextendsThread{

2publicvoidrun(){

3 for(inti=0;i<10;i++){

4 System.out.println(i);

5 try{

6 sleep(1000);

7 }catch(InterruptedExceptione){}

8}

9}

10publicstaticvoidmain(Stringargs[]){11SleepDemot=newSleepDemo();

12t.start();

13}

14}

2)線程的讓步(yield)

與sleep()方法相似，通過調(diào)用Thread類提供的yield()方法可暫停當前運行中的線程，使之轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，但是不能由用戶指定線程暫停時間的長短。同時，它把執(zhí)行的機會轉(zhuǎn)給具有相同優(yōu)先級別的線程，如果沒有其他的相同優(yōu)先級別的可運行線程，則yield()方法不做任何操作。sleep()方法和yield()方法都可使處于運行狀態(tài)的線程放棄CPU，兩者的區(qū)別如下：

■sleep()是將CPU出讓給其他任何線程，而yield()方法只會給優(yōu)先級更高或同優(yōu)先級的線程運行的機會?！鰏leep()方法使當前運行的線程轉(zhuǎn)到阻塞狀態(tài)，在指定的時間內(nèi)肯定不會執(zhí)行；而yield()方法將使運行的線程進入就緒狀態(tài),所以執(zhí)行yield()的線程有可能在進入到就緒狀態(tài)后馬上又被執(zhí)行。

例11-5YieldDemo.java

1publicclassYieldDemo{

2publicstaticvoidmain(Stringargs[]){

3MyThreadt1=newMyThread("t1");

4MyThreadt2=newMyThread("t2");

5t1.start();

6t2.start();7}

8}

9classMyThreadextendsThread{

10MyThread(Strings){

11super(s);

12}

13publicvoidrun(){

14for(inti=0;i<100;i++){

15System.out.println(getName()+":"+i);

16if(i%10==0)

17yield(); 18}

19}

20}

21

程序運行結果如圖11-6所示。

在例11-5的輸出結果中，每個線程輸出到10的倍數(shù)時，由于使用yield()語句，則下一個顯示一定切換到其他線程。如果不用yield，則顯示結果是隨機的。圖11-6線程的讓步

3)線程的掛起與恢復(suspend與resume)

通過調(diào)用Thread類提供的suspend()方法可暫停正在運行的線程，使其進入阻塞狀態(tài)；可通過resume()方法恢復。

4．線程的同步

在之前編寫的多線程程序中，多個線程通常是獨立運行的，各個線程具有自己的獨占資源，而且異步執(zhí)行。也即每個線程都包含了運行時自己所需要的數(shù)據(jù)或方法，而不必去關心其他線程的狀態(tài)和行為。但是在有些情況下，多個線程需要共享同一資源，如果此時不去考慮線程之間的協(xié)調(diào)性，就可能造成運行結果的錯誤。例如，在銀行對同一個賬戶存錢，一方存入相應金額后，賬戶還未修改賬戶余額時，另一方也把一定金額存入該賬戶，因此可能導致所返回的賬戶余額不正確。例11-6模擬了丈夫和妻子分別對一張銀行卡存款的過程。例11-6ATMDemo1.java

1classATMDemo1{

2publicstaticvoidmain(String[]args){

3BankAccountvisacard=newBankAccount();

4ATM丈夫=newATM("丈夫",visacard,200);

5ATM妻子=newATM("妻子",visacard,300);

6 ?Threadt1=newThread(丈夫);

7 Threadt2=newThread(妻子);

8 System.out.println("當前賬戶余額為:"+visacard.getmoney());

9 t1.start(); 10 t2.start();

11}

12}

13Cla1ssATMimplementsRunnable{//模擬ATM機或柜臺存錢

14BankAccountcard;

15Stringname;

16longm;

17ATM(Stringn,BankAccountcard,longm){

18 =n;

19this.card=card; 20 this.m=m;

21}

22publicvoidrun(){

23 card.save(name,m); //調(diào)用方法存錢

24 System.out.println(name+"存入"+m+"后，賬戶余額為"+card.getmoney());

25}

26}

27classBankAccount{

28staticlongmoney=1000; //設置賬戶中的初始金額 29publicvoidsave(Strings,longm){ //存錢

30System.out.println(s+“存入”+m);

31 longtmpe=money; //獲得當前賬戶余額

32try{ //模擬存錢所花費的時間

33 Thread.currentThread().sleep(10);

34 }catch(InterruptedExceptione) {}

35 money=tmpe+m; //相加之后存回賬戶

36 }

37publiclonggetmoney(){ //獲得當前賬戶余額 38 returnmoney;

39}

40}

程序運行結果如圖11-7所示。圖11-7模擬ATM存款的過程在這個存款程序中，賬戶的初始余額為1000元，丈夫存入200元后，存款為1200元，而妻子存入300元后，賬戶余額理論上應該為1500，但是結果卻顯示為1300元。

這個結果和實際不符，問題就出在當線程t1存錢后，通過程序第31行語句獲得當前賬戶余額1000后，立即sleep(10)，因此在還來不及對賬戶余額進行修改時，線程t2執(zhí)行存錢操作，也通過程序第31行語句獲得當前賬戶余額。由于線程1未修改余額的值，因此線程2獲得的余額仍為1000。最后，當線程1和線程2分別繼續(xù)執(zhí)行時，均在各自獲得的余額數(shù)目基礎上加上存入的金額數(shù)。上例出錯的原因就在于，在線程t1的執(zhí)行尚未結束時，money被線程t2讀取。在Java中，為了保證多個線程對共享資源操作的一致性和完整性，引入了同步機制。所謂線程同步，即某個線程在一個完整操作的全執(zhí)行過程中，獨享相關資源使其不被侵占，從而避免了多個線程在某段時間內(nèi)對同一資源的訪問。

Java中可以通過對關鍵代碼段使用關鍵字synchronized來表明被同步的資源，也即給資源加“鎖”，這個鎖稱之為互斥鎖。當某個資源被synchronized關鍵字修飾時，系統(tǒng)在運行時會分配給它一個互斥鎖，表明該資源在同一時刻只能被一個線程訪問。

實現(xiàn)同步的方法有兩種，即利用同步方法實現(xiàn)同步和利用同步代碼塊實現(xiàn)同步。

1)利用同步方法來實現(xiàn)同步

只需要將關鍵字synchronized放置于方法前修飾該方法即可。同步方法是利用互斥鎖保證關鍵字synchronized所修飾的方法在被一個線程調(diào)用時，其他試圖調(diào)用同一實例中該方法的線程都必須等待，直到該方法被調(diào)用結束釋放后，互斥鎖被分給下一個等待的線程。

我們對例11-6進行一些改動，將synchronized放置在publicvoidsave(Strings,longm)方法之前，即：

publicsynchronizedvoidsave(Strings,longm)

則程序的運行結果如圖11-8所示。圖11-8同步機制下的模擬ATM存款過程

2)利用同步代碼塊來實現(xiàn)同步

為了實現(xiàn)線程的同步，我們也可以將對共享資源操作的代碼塊放入一個同步代碼塊中。同步代碼塊的語法形式如下：

返回類型方法名(形參數(shù)數(shù))

{

synchronized(Object)

{

//關鍵代碼

}

}同步代碼塊的方法也是利用互斥鎖來實現(xiàn)對共享資源的有序操作，其中Object是需要同步的對象的引用。我們利用同步代碼塊對例11-6進行修改，運行結果如圖11-8所示。publicvoidsave(Strings,longm){

synchronized(this){

System.out.println(s+"存入"+m);

longtmpe=money;

try{

Thread.currentThread().sleep(10);

}catch(InterruptedExceptione) {}

money=tmpe+m;

}

} 11.3任務實施

我們將考試系統(tǒng)中的倒計時功能從原考試系統(tǒng)分離，并做了部分修改，將其完善成為一個獨立的應用程序。如圖11-9～圖11-11所示，當點擊【開始考試】按鈕后，計時系統(tǒng)開始運作。期間可以點擊【暫?？荚嚒亢汀纠^續(xù)考試】按鈕，使計時系統(tǒng)在暫停和繼續(xù)考試之間進行切換。當考試時間結束時，將彈出對話框提示，按【確定】按鈕可退出系統(tǒng)。圖11-9倒計時開始計時圖11-10倒計時暫停計時圖11-11倒計時結束例11-7TestClock.java

1importjava.text.NumberFormat;

2importjava.awt.event.*;

3importjavax.swing.*;

4publicclassTestClockimplementsActionListener{

5JFramejf;

6JButtonbegin;

7JButtonend;

8JButtonpause;

9JPanelp1;

10JLabelclock;11ClockDispalymt;

12publicTestClock(){

13 f=newJFrame("倒計時");

14 begin=newJButton("開始考試");

15 end=newJButton("結束考試");

16 pause=newJButton("暫停考試");

17 p1=newJPanel();

18 JLabelclock=newJLabel();

19 clock.setHorizontalAlignment(JLabel.CENTER);

20 p1.add(begin);

21 p1.add(pause); 22 p1.add(end);

23 jf.add(p1,“North”);

24 jf.add(clock,“Center”);

25 jf.setSize(340,180);

26 jf.setLocation(500,300);

27 jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);

28 jf.setVisible(true);

29mt=newClockDispaly(clock,100); //設置考試時間為100分鐘

30begin.addActionListener(this);31 pause.addActionListener(this);

32 end.addActionListener(this);

33}

34publicstaticvoidmain(String[]args){

35 TestClocktest=newTestClock();

36}

37publicvoidactionPerformed(ActionEvente){

38 Strings=e.getActionCommand();

39 if(s.equals("開始考試")){

40 begin.setEnabled(false); 41 mt.start(); //啟動倒計時線程

42}

43 elseif(s.equals("暫?？荚?)){

44 pause.setText("繼續(xù)考試");

45 mt.suspend();

46 }

47 elseif(s.equals("繼續(xù)考試")){

48 pause.setText("暫?？荚?);

49 mt.resume();

50 }51elseif(s.equals("結束考試")){

52begin.setEnabled(false);

53pause.setEnabled(false);

54end.setEnabled(false);

55