多執行緒 (Multithreading)

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1 多執行緒 (Multithreading)
第 15 章 多執行緒 (Multithreading)

2 本章提要 15-1 甚麼是執行緒？ 15-2 執行緒的同步 (Synchronization) 15-3 執行緒間的協調 15-4 綜合演練

3 前言 到目前為止, 我們所撰寫的程式流程都是從頭執行到尾, 同一時間只會進行一件事。
可是在實際撰寫程式的時候, 常常會遇到同一時間希望能夠進行多件事情的狀況。 舉例來說, 在前幾章曾經撰寫過一個碼錶程式, 細心思考的讀者可能已經發現到, 這個碼錶程式其實一點用處都沒有。 由於同一時間只能做一件事, 因此碼錶程式除了倒數計時以外, 甚麼事也不能做。

4 前言 我們所需要的是倒數的同時, 另一邊又可以進行其它工作的碼錶。
這在現實生活中也很常見, 像是最簡單的泡麵來說, 將麵擺好, 加入沸水後, 可以準備個倒數的鬧鐘, 定好三分鐘後響。 這樣一來, 就可以看看書, 等到鬧鐘響了, 就可以享用熱騰騰的麵了。 這泡麵、倒數、看書就是三件同時進行的工作, 如果同一時間只能進行一件事, 那可就麻煩了。

5 前言 Java 就提供這種同時進行多項工作的能力, 稱為多執行緒 (Multithreading)。

6 15-1 甚麼是執行緒？ 要知道甚麼是執行緒, 其實並不難。想像一下一家製造汽車的工廠, 為了達到最高的效率, 工廠都會以生產線的方式, 將汽車相互獨立的元件分開且同時製造。 由於製造車身和製造引擎並不需要互相等待, 因此可以有一條生產線製造車身、一條生產線製造引擎。 這樣一來, 車身和引擎就可能同時完成, 馬上就可以進行組裝。 否則的話, 如果車身要等引擎製造完成才能動工, 那麼整台車製造完成的時間就會拖長了。

7 甚麼是執行緒？ 如果將程式對比為製造汽車的工廠, 那麼執行緒就是工廠中的每一條生產線, 可以和其他的執行緒同時進行手上的工作。
也就是說, 每一個執行緒有它自己的流程, 當程式執行時, 每一個執行緒便依據自己的流程進行, 同時處理各自的工作。

8 甚麼是執行緒？

9 使用 Thread 類別建立執行緒 接下來我們就實際建立一個多執行緒的程式, 讓您可以觀察程式的執行結果, 以確實瞭解執行緒的含意。
在 Java 中, 每一個執行緒都是以一個 Thread 物件來表示, 要建立新的執行緒, 最簡單的方法就是從 Thread 類別 (屬於 java.lang 套件) 衍生新的類別, 並且重新定義 Thread( ) 類別中的 run() 方法, 進行這個新執行緒所要負責的工作。例如：

10 使用 Thread 類別建立執行緒

11 使用 Thread 類別建立執行緒

12 使用 Thread 類別建立執行緒

13 使用 Thread 類別建立執行緒 在第 3 行中, 定義了一個 Thread 的子類別 TimerThread, 並且重新定義了run( ) 方法, 這個方法的內容只是不斷的取得目前的時間, 然後顯示在螢幕上。 這裡有兩件事需要注意：

14 使用 Thread 類別建立執行緒 取得時間的方法是產生一個 java.util 套件中的 Date 物件, 這個物件的建構方法會取得目前的時間, 記錄下來。Date 類別重新定義了 toString( ) 方法, 可以將其記錄的日期時間以特定格式轉成字串。相關的說明請參考 JDK 文件。 第 6 行的 for 迴圈是故意用來減緩程式顯示訊息的速度, 避免不斷迅速地執行第 8 行在螢幕上顯示訊息, 而無法閱讀結果。

15 使用 Thread 類別建立執行緒 在 main( ) 方法中, 就建立了一個 TimerThread 物件, 然後呼叫其 start() 方法。 start( ) 是繼承自 Thread 的方法, 執行後, 就會建立一個新的執行緒, 然後在這個新的執行緒中呼叫 run( ) 方法。從此開始, run( ) 方法的執行就和原本程式的流程分開, 同時執行。 也就是說, 新的執行緒就從第 5 行開始執行, 而同時原本的程式流程則會從 start( ) 中返回, 由第 18 行接續執行。

16 使用 Thread 類別建立執行緒 main( ) 方法中接下來的內容就和 TimerThread 類別的 run( ) 方法相似, 只是顯示的訊息開頭不同而已。 由於 main( ) 方法與 run( ) 方法中各是兩個無窮迴圈, 所以兩個執行緒就不斷的顯示目前的日期時間。 如果要結束程式, 必須按下 [Ctrl] + [C] 鍵強迫終結。

17 使用 Thread 類別建立執行緒 您可以從執行結果中看出來, 新執行緒與原本的流程是交錯執行的, 剛開始新執行緒先顯示訊息, 然後舊流程插入, 如此反覆執行。 如果再重新執行程式, 結果並不會完全相同, 但仍然是新執行緒與原始流程交錯執行, 而這也是多執行緒最重要的一點。

18 使用 Runnable 介面建立執行緒 由於 Java 並不提供多重繼承, 如果類別需要繼承其他類別, 就沒有辦法再繼承 Thread 類別來建立執行緒。 對於這種狀況, Java 提供有 Ruunable 介面, 讓任何類別都可以用來建立執行緒。請看以下的範例：

19 使用 Runnable 介面建立執行緒

20 使用 Runnable 介面建立執行緒

21 使用 Runnable 介面建立執行緒 要透過 Runnable 介面建立執行緒, 第一步就是定義一個實作 Runnable 介面的類別, 並重新定義 run( ) 方法。 接著再使用需要單一參數的建構方法來產生 Thread 物件, 並且將實作有 Runnable 介面的物件傳給建構方法。 產生Thread 物件之後, 只要呼叫其 start( ) 方法就可以啟動新的執行緒。

22 執行緒的各種狀態 執行緒除了能不斷的執行以外, 還可以依據需求切換到不同的狀態。
舉例來說, 在上一小節的範例中, 使用了一個並不進行任何實質動作的迴圈來延遲下一次顯示訊息的時間, 相同的工作可以改成讓執行緒進入睡眠狀態一段時間, 然後在時間到後繼續執行：

23 執行緒的各種狀態

24 執行緒的各種狀態

25 執行緒的各種狀態 其中第 7 行就是呼叫 Thread 類別所定義的 static 方法 sleep(), 讓新的執行緒進入睡眠狀態。
sleep( ) 方法的參數表示睡眠的時間, 以毫秒 (即 1 / 1000 秒) 為單位, 因此傳入 1000 就等於是 1 秒。要注意的是, 呼叫 sleep( ) 方法可能會引發 java.lang.InterruptedException 例外, 所以必須使用 try...catch 敘述攔截例外。

26 執行緒的各種狀態 相同的道理, 原始的流程也一樣可以透過進入睡眠狀態的方式, 暫停執行一段時間。
sleep( ) 方法會讓目前在執行中的執行緒進入睡眠狀態, 因此第 23 行一樣呼叫 sleep( ) 睡眠 1 秒鐘。當執行緒進入睡眠狀態時, 其他的執行緒仍然會繼續執行, 不會受到影響。

27 除了睡眠狀態以外, 執行緒還可能會進入以下幾種狀況
預備狀態 (Ready) ：這個狀態表示執行緒將排隊等待執行, 當建立執行緒物件並執行 start( ) 方法後, 就會進入這個狀態。相同的道理, 當執行緒結束睡眠狀態後, 也會進入此狀態等待執行。 執行狀態 (Running) ：這個狀態表示此執行緒正在執行, 您可以呼叫 Thread 類別所定義的 static 方法 currentThread() , 取得代表目前流程的執行緒的 Thread 物件。

28 除了睡眠狀態以外, 執行緒還可能會進入以下幾種狀況
凍結狀態 (Blocked) ：當執行緒執行特定的處理, 像是從磁碟讀取資料時, 就會進入凍結狀態。 等到處理完畢, 就會結束凍結狀態, 進入預備狀態。 另外, 在下一節中也會介紹執行緒的同步, 因為 sychronized 區塊或是 sychronized 方法而等待其他執行緒時, 也會進入凍結狀態, 詳細內容請看 15-2 節。

29 除了睡眠狀態以外, 執行緒還可能會進入以下幾種狀況
等待狀態 (Waiting)：當執行緒呼叫 Object 類別所定義的 wait() 方法自願等待時, 就會進入等待狀態, 一直到其他執行緒呼叫 notify() 或是 notifyAll() 方法解除其等待狀態, 才會再進入預備狀態。有關 wait() 與 notify() 、notifyAll() 方法等, 請看 15-2 節。

30 除了睡眠狀態以外, 執行緒還可能會進入以下幾種狀況

31 15-2 執行緒的同步 (Synchronization)
由於多個執行緒是輪流執行的, 因此就可能發生某個執行緒正在進行一項工作的中途, 因為分配的時間結束而暫停執行, 由另一個執行緒執行, 等下次輪到它執行時, 才接續進行之前的工作。

32 執行緒的同步 (Synchronization)
在這樣的情況下, 如果多個執行緒都會使用到同一個資源。 比如說都會先取出某個變數值, 進行特定的運算之後修改該變數, 那麼就可能會造成執行緒 A 先取出變數值, 計算後還未修改變數值時輪到執行緒 B 執行, 執行緒 B 取得未修改的值, 計算後修改變數值, 等到再輪回執行緒 A 時, 便將之前計算的值放回變數, 剛剛執行緒 B 的計算結果便不見了, 使得計算結果不正確。

33 多執行緒存取共用資源的問題 請看看以下的範例, 就可以瞭解上述的狀況。假設總統大選時某候選人派出多個人進駐各投票所蒐集得票數, 每間隔一段時間每個投票所會傳回該段時間新增的得票數, 並加總得出總得票數。 如果使用個別的執行緒來蒐集各投票所的得票, 程式大概如下：

34 多執行緒存取共用資源的問題

35 多執行緒存取共用資源的問題

36 多執行緒存取共用資源的問題

37 多執行緒存取共用資源的問題

38 多執行緒存取共用資源的問題

39 多執行緒存取共用資源的問題 PollingStation 類別就代表了個別的投票所, 其中 name 成員紀錄此投票所的名稱, reportTimes 指的是投票所應該回報新增得票數的次數；而 total 則記錄此投票所目前的總票數, v 成員則記錄了要統計總票數的 Vote 物件。

40 多執行緒存取共用資源的問題 run() 方法是執行緒的主體, 使用了一個迴圈回報新增得票數。我們使用了 java.lang.Math 類別所提供的 static 方法 random() 來產生一個介於 0 到 1 之間的 double 數值, 將之乘上 500 後可以得到一個介於 0 ~ 500 的新增得票數。接著, 就呼叫 Vote 類別的 reportCount() 方法回報新增的得票數。最後, 再將新增得票數加入此投票所的總投票數。

41 多執行緒存取共用資源的問題 在 Vote 類別中, total 成員記錄總得票數, 而 numOfStations 則是投票所的數量, stations 則是記錄所有 PollingStation 物件的陣列。 reportCount() 方法是提供給 PollingStation 物件回報新增投票數用, 它會先顯示此投票所名稱以及新增的得票數, 然後再顯示總得票數。

42 多執行緒存取共用資源的問題 在 startReport() 方法中, 一開始是一一產生代表投票所的物件, 然後再啟動各個執行緒。接著, 就等待各個投票所開票完畢, 等待的方法是呼叫 Thread 類別的 join() 方法, 這個方法會等到對應此 Thread 物件的執行緒執行完畢後才返回。

43 多執行緒存取共用資源的問題 因此 47 ~ 51 行的迴圈結束時, 就表示各開票所的執行緒都已經執行完畢。join() 方法也和 sleep() 方法一樣可能會引發 Interrupted Exeption 例外, 所以必須套用 try...catch 敘述。最後, 將各開票所的總票數及總得票數顯示出來。

44 多執行緒存取共用資源的問題 main() 方法的內容很簡單, 只是產生 1 個 Vote 物件, 然後呼叫其 startReport() 方法而已。

45 多執行緒存取共用資源的問題

46 多執行緒存取共用資源的問題 從執行結果的最後面就可以看到, 明明兩個開票所總得票數分別是 1529 以及 1034, 為什麼總得票數卻是 2072 ？原因很簡單, 就出在 reportCount() 方法中。 由於多個執行緒是輪流執行, 因此當某個執行緒要將計算好的總票數放回 total 變數前, 可能會中斷執行。此時換其他的執行緒執行, 也得到新增的得票數, 並計算新的總票數放入 total 中。

47 多執行緒存取共用資源的問題 而當再輪回原本的執行緒時, 便將之前計算的總票數放入 total 變數中, 導致剛剛由別的執行緒所計算的總票數被蓋掉, 計算出錯誤的結果。以下列出整個執行的順序, 就可以看到問題出在哪裡了： 1 號開票所開出 423、337、278 張票, 所以總票數 1038。

48 多執行緒存取共用資源的問題 1 號開票所再開出 406 張票, 計算出總票數 1444 後, 還未存入 total 變數中, 便換成 2 號開票所執行。 2 號開票所便以目前 total 的值 1038 為總票數, 繼續開出 101、150、112 張票, 所以總數變成 1401。 接著 2 號開票所開出 182 張票, 計算出總票數 1583 後, 未放回 total 變數便換成 1 號開票所開票。

49 多執行緒存取共用資源的問題 此時 1 號開票所將第 2 步中計算出的 1444 存回 total, 蓋掉了第 3 步中的結果。然後再開出 85 張票, 所以總數變成 1529。 又再換成 2 號開票所, 把第 4 步中計算的結果 1583 存回 total, 蓋掉了第 5 步中的結果。最後, 再開出 489 張票, 結果就變成總票數 2072 了。

50 多執行緒存取共用資源的問題 您可以看到, 由於在第 6 步中蓋掉了 total 的內容, 等於是漏算了第 2 步中的 406 張票與第 5 步中的 85 張票了, 因此總票數 2072 與真正的總票數 = 2563 差了 491 張票。可想而知, 如果真的計票軟體這樣設計的話, 候選人可都要跳腳了。

51 使用 synchronized 區塊 要解決上述的問題, 必須要有一種方式, 可以確保計算總票數以及將總票數放回 total 變數的過程中不會被中斷, 這樣才能避免將總票數放回 total 變數時不會蓋掉正確的結果。

52 使用 synchronized 標示方法 在 Java 中, 就提供有 synchronized 字符, 可以讓您標示一個同一時間僅能有一個執行緒執行的方法。 只要將原來的 reportCount() 方法加上 synchronized 字符, 程式就不會出錯了：

53 使用 synchronized 標示方法

54 使用 synchronized 標示方法 加上 synchronized 字符後, 只要有執行緒正在執行此方法, 其他的執行緒要想執行同一個方法時, 就會被強制暫停, 等到目前的執行緒執行完此方法後才能繼續執行。 如此一來, 就可以避免在存回總票數之前被中斷的情況, 保證 total 的值一定會正確了。 以下就是正確的執行結果：

55 使用 synchronized 標示方法

56 使用 synchronized 標示程式區塊
有的時候, 只有方法中的一段程式需要保證同一時間僅有單一執行緒可以執行, 這時您也可以只標示需要保證完整執行的程式區塊, 而不必標示整個方法。 以我們的範例來說, 真正需要保證完整執行的是取得 total 變數值到加總完存回 total 變數的這一段, 因此程式可以改寫為這樣：

57 使用 synchronized 標示程式區塊

58 使用 synchronized 標示程式區塊
其中就使用了 synchronized 來標示第 30 ~ 35 行的內容。要注意的是, 此種標示方法必須在 synchronized 字符之後指出執行緒間所共用而造成問題的資源, 這必須是一個指向物件的參照值。 以我們的範例來說, 由於是多個執行緒都去修改 total 變數而造成問題, 但 total 變數並非是參照值, 因此我們就以包含 total 變數的 Vote 物件本身作為共享的資源, 來使用 synchronized 敘述。

59 使用 synchronized 標示程式區塊
這樣一來, Java 就會知道以下這個區塊內的程式會因為多個執行緒同時使用到指定的資源而造成問題, 因而幫我們控制同一時間僅能有一個執行緒執行以下區塊。 如果有其他執行緒也想進入此區塊, 就會被強制暫停, 等待目前執行此區塊的執行緒離開此區塊, 才能繼續執行。

60 15-3 執行緒間的協調 使用多執行緒時, 經常會遇到的一種狀況, 就是執行緒 A 在等執行緒 B 完成某項工作, 而當執行緒 B 完成後, 執行緒 B 又要等執行緒 A 消化執行緒 B 剛剛完成的工作, 如此反覆進行。這時候, 就需要一種機制, 可以讓執行緒之間互相協調, 彼此可以知道對方的進展。

61 執行緒間相互合作的問題 如果上一節的選票統計是由派駐各開票所的人員打電話回來給候選人的選舉總部, 而總部僅有一名助理負責接聽電話, 當助理接聽電話時, 自然其他開票所的人員就沒辦法打進來。 助理接聽電話時, 必須負責將新增得票數記錄下來, 然後通知選舉總部負責人去加總票數。那麼程式就可能是這樣：

62 執行緒間相互合作的問題

63 執行緒間相互合作的問題

64 執行緒間相互合作的問題

65 執行緒間相互合作的問題

66 執行緒間相互合作的問題

67 執行緒間相互合作的問題

68 執行緒間相互合作的問題 其中 22 ~ 35 行就是用來表示選舉總部助理的 Assistant 類別。
這個類別只有 2 個方法, 分別是用來讓 PollingStation 物件呼叫, 以回報新增得票數的　reportCount() 方法, 以及提供給主流程取得新增票數的 getCount() 方法。 由於這 2 個方法都必須存取共用的資源 count, 所以都以 synchronized 來控制存取count 變數的同步。

69 執行緒間相互合作的問題 reportCount() 方法中是顯示並且記錄回報的票數, 而getCount() 方法就很單純的傳回 count。 PollingStation 類別的內容和之前的範例幾乎一樣, 不同的只是原來記錄 Vote 物件的變數改成記錄 Assistant 物件, 並且一併改成呼叫 Assistant 類別的 reportCount() 方法回報新增票數。

70 執行緒間相互合作的問題 在 main() 方法中, 先產生代表助理的 Assistant 物件, 然後一一產生各個開票所的 PollingStation 物件, 啟動執行緒。然後使用 for 迴圈依據開票所的數量以及個別開票所回報新增票數的次數呼叫 Assistant 的 getCount() 方法, 取得新增票數加總。最後, 顯示各開票所的總票數以及加總的總票數。

71 執行緒間相互合作的問題

72 執行緒間相互合作的問題 最後的結果明明兩個開票所分別有 897 及 1045 票, 怎麼總票數會是 1088 票呢？
仔細看執行結果會發現, 主流程在開票所還沒有回報票數時, 就已經先呼叫 getCount() 兩次。更糟的是, 總部負責人還沒有將記錄下來的新增票數加總, 就又把傳回的新增票數記錄到 count 變數中, 蓋掉了之前的數值, 以致於最後的 1088 票其實是 2 號開票所最後一次傳回的 136 票乘上 8 次的結果。

73 執行緒間相互合作的問題 這個程式的問題就出在各個執行緒間並沒有協調好, 助理應該告訴總部負責人現在沒有資料, 請等候；相同的道理, 助理也應該要知道負責人還沒加總好資料, 先不要把資料記下來, 蓋掉舊的資料。

74 協調執行緒 為了解決上述的問題, 很顯然的, 必須修改 Assistant 類別, 讓它扮演好助理的角色。在 Object 類別中, 提供有一對方法：wait() 與 notify() , wait() 可以讓目前的執行緒進入等待狀態, 直到有別的執行緒呼叫同一個物件的 notify() 方法叫醒, 才會繼續執行。 因此, 我們就可以呼叫 Assistant 物件的這一對方法來協調回報新增票數與加總票數的工作：

75 協調執行緒

76 協調執行緒

77 協調執行緒 第 24 行新增了 unprocessedData 成員, 用來表示是否有新增的票數還未加總。

78 協調執行緒 第 29 行的 while 迴圈會在還有新增票數未加總時讓代表開票所的執行緒等待, 等待的方式就是呼叫 Assistant 物件的 wait() 方法, 進入等待狀態。 一旦被喚醒繼續執行, 就會將新增票數記錄下來, 將 unprocessedData 設為 true, 告訴助理可以加總票數了。然後呼叫 notify() , 讓等待加總票數的主流程可以繼續執行。

79 協調執行緒 第 43 的 while 迴圈會在沒有新增票數需要加總時, 讓負責加總的主流程等待, 等待的方式一樣是呼叫 Assistant 物件的 wait() 方法。一旦被喚醒繼續執行時, 就會將 unprocessedData 設為 false, 並呼叫 Assistant 物件的 notify() 方法, 以便喚醒等待回報新增票數的執行緒, 讓開票所能夠繼續回報新增票數。

80 協調執行緒 如此一來, 執行結果就完全正確了：

81 協調執行緒 要注意的是, 對於物件 a 來說, 只有在物件 a 的 synchronized 方法或是以 a 為共享資源的 synchronized(a) 區塊中才能呼叫 a 的 wait() 方法。 一旦執行緒進入等待狀態時, 就會暫時釋放其 synchronized 狀態, 就好像這個執行緒已經離開 synchronized 方法或是區塊一樣, 讓其他的執行緒可以呼叫同一方法或是進入同一區塊。

82 協調執行緒 等到其他執行緒呼叫 notify() 喚醒等待的執行緒時, 被喚醒的執行緒必須等到可以重新進入 synchronized 狀態時才能繼續執行。 舉例來說, 如果您把 reportCount() 的 synchronized 字符拿掉：

83 協調執行緒

84 協調執行緒

85 協調執行緒 執行時就會發生錯誤：

86 避免錯誤的 synchronized 寫法 上一節曾經提過使用 synchronized 來同步多個執行緒, 不過要特別注意的是, 使用 synchronized 標示方法時, 其實就等於是以物件自己為共享資源標示 synchronized 區塊, 也就是說, 以下的方法：

87 避免錯誤的 synchronized 寫法 其實就等於：

88 避免錯誤的 synchronized 寫法 因此, 如果同一類別中有多個 synchronized 方法時, 若是有執行緒已進入此類別物件的某個 synchronized 方法, 就會造成其他執行緒無法再呼叫同一物件的任一個 synchronized 方法。請看以下範例：

89 避免錯誤的 synchronized 寫法

90 避免錯誤的 synchronized 寫法

91 避免錯誤的 synchronized 寫法

92 避免錯誤的 synchronized 寫法 在這個程式中, Lock 類別有 2 個 synchronized 方法, 分別叫做 a() 與 b()。 其中方法 a() 一執行後就會進入一個 while 迴圈等待方法 b() 被執行；而方法　b() 則會設定 bExecuted 的值, 讓方法 a() 的 while 迴圈可以結束。

93 避免錯誤的 synchronized 寫法 ThreadA 與 ThreadB 這兩個 Thread 子類別的 run() 方法則是分別呼叫 Lock.obj 這個物件的 a() 與 b() 方法。 在 main() 方法中, 就分別產生了 ThreadA 與 ThreadB 的物件 ta 與 tb, 然後分別啟動執行緒。理論上程式執行後 ta 執行緒會呼叫 Lock.obj.a() 而等待, 然後 tb 執行緒會呼叫 Lock.obj.b() 解除 a() 的迴圈, 最後程式結束。 不過實際的執行結果卻是這樣：

94 避免錯誤的 synchronized 寫法 ta 執行緒一進入迴圈後就跑不出來了, 這表示 tb 執行緒根本就沒有進入方法 b()。
會造成這樣的結果, 就是因為方法 a() 與 b() 是同一個物件的 synchronized 方法, 當 ta 執行緒進入方法 a() 後, 就導致 tb 執行緒無法呼叫方法 b()。

95 避免錯誤的 synchronized 寫法 最後, 變成 ta 執行緒要等 tb 執行緒來解除它的迴圈, 可是 tb 執行緒也在等 ta 執行緒離開方法 a(), 彼此互相等待, 所以程式就停在方法 a() 中無法繼續了。像這樣多個執行緒間相互等待的狀況, 就稱為死結 (Dead Lock)。 如果將方法 b() 的 synchronized 字符拿掉, 程式就可以順利進行了：

96 避免錯誤的 synchronized 寫法

97 避免錯誤的 synchronized 寫法

98 避免錯誤的 synchronized 寫法 如果這兩個方法都必須是 synchronized, 那麼就必須改用 wait() 來進行等待。
因為在上一小節提過, 當執行緒呼叫某物件的 wait() 而進入等待狀態時, 會先釋放對於該物件的 synchronized 狀態, 讓其它的執行緒可以進入以同一物件為共享資源的 synchronized 區塊：

99 避免錯誤的 synchronized 寫法

100 避免錯誤的 synchronized 寫法 要特別留意加上呼叫 notify() 的動作來解除等待狀態, 這是撰寫多執行緒程式時很容易疏忽的地方。

101 15-4 綜合演練 用來通知計時結束的介面 實作計時器類別 測試 Timer 類別

102 用來通知計時結束的介面 在第 12 章曾經提過, 介面有一個用法就是提供給物件之間作為相互溝通的橋樑, 我們首先要實作的就是這樣的介面, 它可以讓計時器在計時結束時呼叫啟動該計時器的物件所提供的方法。

103 用來通知計時結束的介面 要啟動計時器必須準備一個實作有 TimeUp 介面的物件, 並在啟動計時器時傳遞給計時器。
當計時器計時結束時, 就會呼叫此 TimeUp 物件的 notify TimeUp() 方法, 通知該物件計時已經結束。

104 實作計時器類別 有了 TimeUp 介面後, 就可以實作計時器的類別了。程式如下：

105 實作計時器類別

106 實作計時器類別 在 Timer 類別中, interval 是用來記錄計時的長度, 單位和 Thread.sleep() 方法一樣是 1 / 1000 秒。 而 listener 就是記錄當計時結束時要呼叫的 notifyTimeUp() 方法所屬的物件。 static 方法 setTimer() 就是實際啟動計時器的方法, 它需要 2 個參數, 分別是計時的長度以及用來通知計時結束的 TimeUp 物件。 此方法會建立一個Timer 物件, 然後呼叫 start() 方法啟動執行緒開始計時。

107 實作計時器類別 要注意的是, 由於 Timer 類別一般的用法是呼叫其 static 方法 setTimer(), 因此其建構方法是 private 存取控制。 也就是說, 除了呼叫 setTimer() 以外, 您並不能自行建立 Timer 物件。 這也是 private 建構方法的一種用法。

108 實作計時器類別 在 run() 方法中, 只是很單純的呼叫 Thread.sleep() 方法等待指定的時間, 並且在等待完畢後呼叫 listener 物件的 notifyTimeUp() 方法, 通知計時結束。 到這裡, 就將計時類別實作好了, 接下來就可以實際運用。

109 測試 Timer 類別 這裡我們寫了一個簡單的測試程式, 它會啟動一個 5 秒鐘的計時器, 並顯示簡單的訊息。

110 測試 Timer 類別

111 測試 Timer 類別

112 測試 Timer 類別 在 TestTimer 類別中, isTimeUp 是用來標示計時是否已經結束的變數, 在 main( ) 中的主流程就依據這個變數的值來判斷是否要結束迴圈。 main( ) 方法中首先呼叫 Timer.setTimer( ) 啟動計時器, 並傳入 5000 表示要計時 5 秒, 另外傳入一個新產生的 TestTimer 物件, 以作為計時結束時通知之用。

113 測試 Timer 類別 程式接著先顯示目前時間, 然後進入一個 while 迴圈, 利用 Thread.sleep() 等 1 秒, 顯示簡單的 “.” 表示正在等待計時結束中。迴圈會一直進行到 isTimeUp 被設定為 true 為止, 最後再顯示目前的時間, 然後結束程式。

114 測試 Timer 類別 由於 TestTimer 本身就實作了 TimeUp 介面, 因此必須實作 notifyTimeUp() 方法。在這個方法中, 只是很簡單的顯示時間到的訊息, 並設定 isTimeUp 為 true, 讓 main() 中的迴圈可以結束。 您也可以將 Timer 類別以及 TimeUp 介面放入套件中, 以方便不同的程式共用這個工具類別。