Multithread 多執行緒 I/O Lecturer：楊昌樺.

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1 Multithread 多執行緒 I/O Lecturer：楊昌樺

2 Important Features of Java
何謂多工 (Multi-tasking) 例如，撰寫網路程式，模擬程式。 Java 利用 “執行緒” (Thread) 來實作多工 可將一個Process分成數份， 讓各部份能同時被執行。

3 Process and Thread Process - 正在執行的應用程式 不同的行程會對應到不同的
系統資源 CPU時間 Multithread的概念特別針對CPU時間的分配 暫時閒置的CPU時間，用在執行應用程式的其他工作上 語法不難，難在掌控 執行先後順序 資源維護

4 執行緒的生命週期 Blocked start() Runnable Running yield()
notify(), I/O unblock sleep(), wait(), , I/O block start() Runnable Running yield()

5 設計背景 雖然說一次可以處理多個執行緒 不過在同一個時間點真正執行的還是只有一個 (例外：多CPU系統可以執行多個) 處理多個執行緒時
一次只有一個執行緒在執行(Running) 其他執行緒在Runnable區塊中等待 執行先後順序會依照執行緒的優先權來判定 沒執行的在Runnable區塊中等待下一次優先權的判定

6 Thread類別 java.lang.Thread 提供的基本方法
public class Thread extends Object implements Runnable 提供的基本方法 static yield() 讓目前running的暫停, 讓runnable的擇一跑 static sleep() 讓目前running的睡一個設定的時間 start() 啟動, 之後JVM可啟動該thread的run() setPriority() setPriority(MAX_PRIORITY)：給最大優先權 setPriority(MIN_PRIORITY)：給最小優先權 setPriority(NORM_PRIORITY)：預設的優先權

7 簡單程式範例 (MyThread.java)
public class MyThread extends Thread{ MyThread(String n) { super(n); } public void run() String tname = super.getName(); try for(int i = 1; i<=5000;i++) System.out.println(tname+" "+i+" "+Math.random()); catch(Exception e) System.out.println("error"); class TestThread { public static void main(String[] args) MyThread t1 = new MyThread("t1"); MyThread t2 = new MyThread("t2"); t1.start(); t2.start(); } thread t1, t2 各執行5000次迴圈，在各個電腦產生的執行順序也會因為各個電腦當時的CPU效能而有所不同

8 說明 新的執行緒物件(new MyThread) 經由start()方法進入Runnable 區準備執行
排程後將選出來的執行緒丟入Running區執行 此時會觸發執行緒run()方法，執行實作內容(寫在run()內的程式碼) 若執行緒未執行完成(例如取得的CPU時間已到卻還沒完成工作，或是程式呼叫了特定的方法) ，或是執行wait()，將會觸發Blocking event並進入Blocked區 被封鎖的執行緒解除封鎖(Unblocked)或者是或別的程式中呼叫了notify()方法之後，將再進入Runnable pool中等待下一次執行 若程式中呼叫了yield()方法(讓與)，則是將執行權先給其他執行緒執行，不過其本身仍然還是在Runnable中

9 不能多重繼承時 (MyThread2.java)
public class MyThread2 implements Runnable { int i; public void run() i = 0; while (true) System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + (++i) + " " +Math.random()); if ( i == 5000 ) break; } class TestThread2 { public static void main(String args[]) MyThread2 r = new MyThread2(); Thread t1 = new Thread(r); Thread t2 = new Thread(r); t1.setName(“t1"); t2.setName(“t2"); t1.start(); t2.start(); } 先宣告一個空的MyThread2類別物件r 建立t1, t2 執行緒物件實體，其對象為 MyThread2中的run()方法

10 如果執行緒間彼此有同步的考量 (MyThread3.java)
public class MyThread3 implements Runnable{ static int max=0; public void run() { for(int i = 1; i<=5000;i++) int tmp=max; System.out.println( Thread.currentThread().getName() + " " + ++tmp ); max=tmp; } class TestThread3 { public static void main(String args[]) MyThread3 r = new MyThread3(); Thread t1 = new Thread(r); Thread t2 = new Thread(r); t1.setName("t1"); t2.setName("t2"); t1.start(); t2.start(); } 各把max拿來加5000次 最後卻不一定等於10000 而且每次都不一樣, why?

11 方法加 synchronized 保證 addMax()這個方法 只有同時間只有一個process可以執行
public class MyThread4 implements Runnable{ static int max=0; public void run() { for(int i = 1; i<=5000;i++) addMax(); } private synchronized void addMax() int tmp=max; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + ++tmp); max=tmp; 保證 addMax()這個方法 只有同時間只有一個process可以執行

12 Your Turn 寫一個多執行緒程式，模擬三個人存同一個戶頭的錢，每次存1000圓，總共存10次 每次存完讓該Thread睡個幾毫秒
Thread.sleep((long)(Math.random()*10)); 這個方法需要處理exception，試用教過的例外處理 最後輸出的是隨機的存款出現的順序 確保最後出現的是三萬元 (可以每次顯示是誰存的，存多少，總額)

13 I/O Overview of I/O Streams Using the Streams File Streams
Wrap Streams InputStreams Your Turn Standard in and out Streams Pipe Streams SequenceInputStream Filter Streams Random Access File

14 Overview of I/O Streams

15 Overview of I/O Streams
讀取與寫出資料的演算法： 讀取 寫出 開啟資料流 while 還有資料 讀取資料 關閉資料流 寫出資料 在 Java 中，處理 IO 必須要 import java.io 這個 package 根據資料型態（字元或位元），可以分成二類：

16 Overview of I/O Streams
Character Streams 用來處理 16 位元資料，如：字元資料（unicode） Reader 和 Writer 是所有 character streams 的 abstract superclasses

17 Overview of I/O Streams
Byte Streams 用來處理 8 位元資料，如：執行檔、圖檔和聲音檔 InputStream 和 OutputStream 是所有 byte streams 的 abstract superclasses

18 Overview of I/O Streams
Understanding the IO Superclasses Reader 與 InputStream 有非常類似的 API，只是處理的資料型態不同，如： Reader 中的 methods int read() int read(char cbuf[]) int read(char cbuf[], int offset, int length) InputStream 中的 methods int read(byte buf[]) int read(byte buf[], int offset, int length)

19 Overview of I/O Streams
Writer 與 OutputStream Writer 中的 methods int write(int c) int write(char cbuf[]) int write(char cbuf[], int offset, int length) OutputStream 中的 methods int write(byte buf[]) int write(byte buf[], int offset, int length) 所以的 Streams 都一樣，在物件建立之後，就會自動開啟，而呼叫 close() 就可以關閉資料流

20 Using the Streams I/O 類型 資料流類別 說明 檔案（File） 功能在於存取檔案或檔案系統的內容 管線（Pipe）
FileReader FileWriter FileInputStream FileOutputStream 功能在於存取檔案或檔案系統的內容 管線（Pipe） PipedReader PipedWriter PipedInputStream PipedOutputStream 將某個程式（或 Thread）的輸出導入另一個程式的輸入 串接（Concatenate） 未提供 SequenceInputStream 將多個 input stream 串接到同一個 input stream

21 Using the Streams I/O 類型 資料流類別 說明 緩衝（Buffer） 讀寫時為資料緩衝區，可以減少存取原始資料的次數
BufferedReader BufferedWriter BufferedInputStream BufferedOutputStream 讀寫時為資料緩衝區，可以減少存取原始資料的次數 過濾（Filter） FilterReader FilterWriter FilterInputStream FilterOutputStream 這幾個類別都是 abstract class，定義了過濾讀寫資料的介面 物件序列化 （Object Serialization） 未提供 ObjectInputStream ObjectOutputStream 用來做物件序列化（Object Serialization）的動作

22 File 檔案與目錄之操作 在 Java 中建立 File 物件，就可以取得檔案的或資料夾的相關訊息，如：File f = new File(String); File() 建構元參數是檔案或是資料夾的路徑 例如： import java.io.*; File f = new File(“haha.txt”);

23 File File 的相關方法 public boolean isDirectory() public boolean isFile()
傳回目前 java.io.File 內所包含的這個名稱是否為一個資料夾 public boolean isFile() 傳回目前 java.io.File 內的名稱是否為一個檔案 public String[] list() 傳回目前資料夾內所包含的資料夾名稱及檔案名稱

24 檔案清單範例 Example: Dir.java import java.io.*; public class Dir {
public static void main(String[] args) { String[] filenames; File f = new File(args[0]); if ( f.isDirectory() ) { filenames = f.list(); for(int i=0; i< filenames.length; i++) System.out.println(filenames[i]); } else System.out.println(f + "is not a directory");

25 顯示檔案資訊 相關方法 public boolean exists(): 檢查檔案是否存在
public boolean canRead(): 是否可讀 public boolean canWrite(): 是否可寫 public getName(): 傳回該檔案的名稱 public long length(): 傳回檔案大小 public long lastModified(): 傳回檔案修改時間 public getPath(): 取得該檔案所屬的資料夾名稱 public getParent(): 取得該檔案所屬的父資料夾名稱 public getAbsoluteFile(): 傳回該檔案的絕對路徑

26 顯示檔案資訊範例 Exmaple: FileInfo.java File f = new File(args[0]);
if ( f.exists() ) { if ( f.isFile() ) System.out.print("File: "); else if(f.isDirectory()) System.out.print("Directory: "); System.out.println(f.getAbsoluteFile()); System.out.println("Length: " + f.length()); System.out.println("Readable: " + f.canRead()); System.out.println("Writable: " + f.canWrite()); } else System.out.println(f + " does not exist!");

27 更改檔案名稱 相關方法 public boolean renameTo(File dest) 功能：更改檔名
傳回值：true  成功，false  失敗

28 更改檔案名稱範例 Example: RenameFile.java File fs = new File(args[0]);
File fd = new File(args[1]); if ( fs.exists() ) { if ( !fd.exists() ) { if (fs.renameTo(fd)) { System.out.println(fs.getName() + " --> " + fd.getName()); System.out.println("1 file(s) has been renamed!"); } else System.out.println("Target name already exists!"); System.out.println("Wrong source name!");

29 File 相關方法 刪除檔案 public boolean delete() 功能：刪除檔案
傳回值：true  刪除成功；false  失敗 建立資料夾 boolean mkdir() boolean mkdirs() 建立資料夾，成功傳回 true；失敗 false

30 建立資料夾範例 Example: MakeDir.java import java.io.*; public class MakeDir {
public static void main(String[] args) { File dir = new File(args[0]); if ( !dir.exists() ) { boolean success = dir.mkdir(); // boolean success = dir.mkdirs(); System.out.println("Create "+dir+" is successed!!"); } else System.out.println(dir + " is already exist!!!");

31 FileReader / FileWriter
可利用 File 物件來當作 FileReader / FileWriter 的建構元參數 如： File inputFile = new File(“test.txt”); FileReader in = new FileReader(inputFile); 建立 FileReader 的物件之後可用 read() 來讀入 16-bit 字元 建立 FileWriter 的物件之後可用 write() 來寫出 16-bit 字元

32 FileReader / FileWriter
Example: Copy.java … File inputFile = new File("farrago.txt"); File outputFile = new File("outagain.txt"); FileReader in = new FileReader(inputFile); FileWriter out = new FileWriter(outputFile); int c; while ((c = in.read()) != -1) out.write(c); in.close(); out.close();

33 Wrap Streams Wrap Streams – 包裹 Stream
以一種 stream 類別包裹另一種 stream 類別的情形，這樣可以將各種不同資料流中好用的 methods 合併使用 在讀取資料時，可以利用 BufferedReader 將來源包裹（wrap）起來，如此一來便可以使用呼叫 BufferedReader 中提供的 readLine() 來讀入一整行的資料

34 Java讀寫檔案 BufferedReader 和 BufferedWriter
程式做 IO 動作時，使用 8K 左右大小之 Buffer 可得到最佳效能 BufferedReader 和 BufferedWriter 已經內建 Buffer 幫你做實際 IO 傳輸 buffer 處理 示範程式 使用 BufferedReader 讀出檔案內容

35 示範程式 Example: BufReaderDemo.java String file = "farrago.txt";
File name = new File(file); if ( name.exists() ) { BufferedReader input = new BufferedReader( new FileReader(name)); String str; while ( (str = input.readLine()) != null ) // 判別是否讀到檔尾 System.out.println(str); input.close(); } else System.out.println("File [" + name + "] doesn't exist."); FileIO.java and TestFileIO.java

36 BufferedReader使用法 Constructor:
BufferedReader(Reader in); Reader 是一個 abstract 類別，不能被 new 出來，只能被繼承使用 查API可知道 Reader 被 FileReader 繼承。 而 FileReader 有一 Constructor 為 FileReader(String filename) 因此我們可以 new 一個 FileReader，當作參數傳入BufferedReader 之 Constructor

37 BufferedWriter使用法 Constructor:
BufferedWriter(Writer out); Writer 是一個 abstract 類別，不能被 new 出來，只能被繼承使用 查 API 可知到 Writer 被 FileWriter 繼承。 而 FileWriter 有一 Constructor 為 FileWriter(String filename) 因此我們可以 new 一個 FileWriter，當作參數傳入BufferedWriter 之 Constructor

38 為何Java如此大費周章 使用BufferedReader為何還要先產生FileReader，再指向檔案名稱？
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(“Test.txt”)); 因為 BufferedReader 和 BufferedWriter 不只可以做檔案處理之功能 只需置換 BufferedReader 之建構子，即可使用相同的API做出讀取鍵盤輸入和網路傳輸等功能 請注意 BufferedReader 和 BufferedWriter 的建構子為 Reader 和 Writer 之類別

39 InputStream / OutputStream
在 Java 中，相對應於 Reader / Writer，用來讀取和寫入位元或位元陣列 提供的方法： int read() -- 讀取一個位元 int read(byte[]) – 讀取位元陣列，當資料結尾時，傳回 -1 int read(byte[], int, int) void write(int) – 寫入整數 void write(byte[]) – 寫入 1 個位元組陣列 void write(byte[], int, int)

40 InputStream / OutputStream
對於位元的檔案 IO，Java 程式是開啟 FileOutputStream 和 FileInputStream 串流，如： FileOutputStream output = new FileOutputStream(file); … FileInputStream input = new FileInputStream(name); 參數可以是檔案路徑字串，或是 File 物件

41 InputStream / OutputStream
Example: InOutStreamDemo.java FileInputStream input = new FileInputStream(name); FileOutputStream output = new FileOutputStream("clone.jpg"); // 當讀取的檔案不是文字檔的話，用 FileReader 來讀取會有問題 //FileReader input = new FileReader(name); //FileWriter output = new FileWriter("clone.jpg"); int b; while ( (b = input.read()) != -1 ) { output.write(b); System.out.println(b); // 顯示出一個 pixel 的數值 } output.close(); input.close();

42 Your Turn 建立一個 Java 程式從命令參數列輸入個數和最大值 maxValue，然後使用亂數產生 0 ~ maxValue 的整數值，以每個整數間隔一個 Tab，每一列 5 個的方式將整數以字元方式寫入文字檔案中。 產生亂數的方式：Math.random() 記得處理例外 試利用 BufferedReader 中的 readLine() 來將剛剛產生的檔案內容讀出 See FileIO.java