Java教程
实验六 多线程与网络程序设计
实验目的
1． 掌握Java语言中多线程编程的基本方法
2． 掌握Runnable接口实现多线程的方法
3． 掌握Thread类实现多线程的用法
4． 理解Socket的工作机理，掌握Socket编程的方法
实验导读
- 进程和线程的概念
进程是程序一次动态执行的过程，对应从代码加载、执行到执行结束这样一个完整的过程，也是进程自身从产生、发展到消亡的过程。
线程是比进程更小的执行单元，一个进程在执行过程中，可以产生多个线程。每个线程都有自身的产生、执行和消亡的过程。
2. 线程的状态与生命周期
新建：当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态。此时它已经有了相应的内存空间和其他资源。
运行：线程创建之后就具备了运行的条件，一旦轮到它来享用CPU资源时，即JVM将CPU使用权切换给该线程时，此线程的就可以脱离创建它的主线程独立开始自己的生命周期了(即run方法执行的过程)。
中断：有4种原因的中断，CPU资源从当前线程切换给其他线程、执行了sleep(int millsecond)方法、执行了wait()方法、进入阻塞状态 。
死亡：run方法结束。
3. 线程的创建
在Java语言中，与线程支持密切相关的是java.lang.Thread类和java.lang.Runnable接口。Runnable接口定义很简单，只有一个run方法。任何一个类如果希望自己的实例能够以线程的形式执行，都可以来实现Runnable接口。
继承Thread类和实现Runnable接口，都可以用来创建Thread对象，效果上并没有什么不同。继承Thread类的方法很明显的缺点就是这个类不能再继承其他的类了，而实现Runnable接口不会有这个麻烦。
另外，在继承Thread类的代码中，this其实就是指当前正在运行的线程对象，如果使用实现Runnable接口的方式，要得到当前正在执行的线程，需要使用Thread.currentThread()方法。
线程创建后仅仅是占有了内存资源，在JVM管理的线程中还没有这个线程，此线程必须调用start（）方法（从父类继承的方法）通知JVM，这样JVM就会知道又有一个新一个线程排队等候切换了。
注意：多次启动一个线程，或者启动一个已经运行的线程对象是非法的，会抛出IllegalThreadStateException异常对象。
4. 线程的优先级
同一时刻在等待队列中的线程会有很多个，它们各自任务的重要性有所不同。为了加以区分，使工作安排和资源分配时间更为合理，每个线程可以被赋予不同的优先级，让任务比较急的线程拥有更高的优先级，从而更快地进入执行状态。
Java中提供了10个等级的线程优先级，最低为Thread.MIN_PRIORITY=1，最高为Thread.MAX_PRIORITY=10，默认优先级为Thread.NORM_PRIORITY=5。
使用Thread类中的setPriority(int)方法可以为线程指定优先级。
5. 线程的常用方法
start() 方法：
线程调用该方法将启动线程，使之从新建状态进入就绪队列排队，一旦轮到它来享用CPU资源时，就可以脱离创建它的线程独立开始自己的生命周期了。
run()方法：
Thread类的run()方法与Runnable接口中的run()方法的功能和作用相同，都用来定义线程对象被调度之后所执行的操作，都是系统自动调用而用户程序不得引用的方法。系统的Thread类中，run()方法没有具体内容，所以用户程序需要创建自己的Thread类的子类，并重写run()方法来覆盖原来的run()方法。当run方法执行完毕，线程就变成死亡状态。
sleep(int millsecond) 方法：
线程占有CPU期间，执行sleep方法来使自己放弃CPU资源，休眠一段时间。休眠时间的长短由sleep方法的参数决定，millsecond是毫秒为单位的休眠时间。如果线程在休眠时被打断，JVM就抛出InterruptedException异常。因此，必须在try~catch语句块中调用sleep方法。
isAlive() 方法：
线程处于“新建”状态时，线程调用isAlive()方法返回false。当一个线程调用start（）方法，并占有CPU资源后，该线程的run方法就开始运行，在线程的run方法结束之前，即没有进入死亡状态之前，线程调用isAlive()方法返回true。当线程进入“死亡”状态后（实体内存被释放），线程仍可以调用方法isAlive（），这时返回的值是false。
一个已经运行的线程在没有进入死亡状态时，不要再给线程分配实体，由于线程只能引用最后分配的实体，先前的实体就会成为“垃圾”，并且不会被垃圾收集机收集掉。
currentThread() 方法：
currentThread（）方法是Thread类中的类方法，可以用类名调用，该方法返回当前正在使用CPU资源的线程。
interrupt() 方法：
intertupt方法经常用来“吵醒”休眠的线程。当一些线程调用sleep方法处于休眠状态时，一个占有CPU资源的线程可以让休眠的线程调用interrupt 方法“吵醒”自己。
6. 线程的同步
线程同步是指几个线程都需要调用一个同步方法(使用关键字synchronized修饰的方法) 。
当一个线程A使用一个synchronized修饰的方法时，其他线程想使用这个方法时就必须等待，直到线程A 使用完该方法 （除非线程A使用wait主动让出CPU资源）。
一个线程在使用的同步方法中时，可能根据问题的需要，必须使用wait()方法使本线程等待，暂时让出CPU的使用权，并允许其它线程使用这个同步方法。其它线程如果在使用这个同步方法时如果不需要等待，那么它用完这个同步方法的同时，应当执行notifyAll()方法通知所有的由于使用这个同步方法而处于等待的线程结束等待。
挂起：
有时候两个线程并不是同步的，即不涉及都需要调用一个同步方法，但线程也可能需要暂时的挂起。所谓挂起一个线程就是让线程暂时让出CPU的使用权限，暂时停止执行，但停止执行的持续时间不确定，因此不能使用sleep方法暂停线程。挂起一个线程需使用wait方法，即让准备挂起的线程调用 wait 方法，主动让出CPU的使用权限。
恢复：
为了恢复该线程，其它线程在占有CUP资源期间，让挂起的线程的目标对象执行notifyAll()方法，使得挂起的线程继续执行；如果线程没有目标对象，为了恢复该线程，其它线程在占有CPU资源期间，让挂起的线程调用notifyAll()方法，使挂起的线程继续执行。
7. 使用URL
Java.net包中的URL类是对统一资源定位符的抽象，使用URL创建对象的应用程序称为客户端程序。一个URL对象存放着一个具体的资源的引用，表明客户要访问这个URL中的资源，利用URL对象可以获取URL中的资源。一个URL对象通常包含最基本的三部分信息：协议、地址、资源。协议必须是URL对象所在的Java虚拟机支持的协议；地址必须是能连接的有效IP地址或域名；资源可以是主机上的任何一个文件。URL对象调用InputStream openStream() 方法可以返回一个输入流，该输入流指向URL对象所包含的资源。通过该输入流可以将服务器上的资源信息读入到客户端。
8. InetAddress类
Internet上的主机有两种方式表示地址：
域名。例如，www.huat.edu.cn
IP地址。例如，61.183.20.84
java.net包中的InetAddress类对象含有一个Internet主机地址的域名和IP地址：www.huat.edu.cn/61.183.20.84，域名比较容易记忆，当在连接网络时输入一个主机的域名后，域名服务器（DNS）负责将域名转化成IP地址，这样才能和主机建立连接。
⑴ 获取本地机的地址
可以使用InetAddress类的静态方法getLocalHost()获得一个InetAddress对象，该对象含有本地机的域名和IP地址。
⑵ 获取Internet上主机的地址
可以使用InetAddress类的静态方法getByName(String s)获得一个InetAddress对象，将一个域名或IP地址传递给该方法的参数s，该对象含有主机地址的域名和IP地址。
另外，InetAddress类中含有两个实例方法：
public String getHostName() 获取InetAddress对象所含的域名
public String getHostAddress() 获取InetAddress对象所含的IP地址。
实验内容
- 线程接力（40分）
编写一个应用程序，除了主线程外，还有三个线程：first、second和third。first负责模拟一个红色的按钮从坐标（10，60）运动到（100，60）；second负责模拟一个绿色的按钮从坐标（100，60）运动到（200，60）。third线程负责模拟一个蓝色的按钮从坐标（200，60）运动到（300，60）。
阅读并分析以下程序，将程序中的代码补充完整，编译并运行程序，查看结果。
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
public class MoveButton extends Frame implements Runnable, ActionListener {
// 用Thread类声明first,second,third三个线程对象
Thread first ,second ,third;
Button redButton, greenButton, blueButton, startButton;
int distance = 10;
MoveButton() {
//分别创建first,second,third三个线程，用当前窗口做为该线程的目标对象
first = new Thread(this) ;
second = new Thread(this) ;
third = new Thread(this) ;
redButton = new Button();
greenButton = new Button();
blueButton = new Button();
redButton.setBackground(Color.red);
greenButton.setBackground(Color.green);
blueButton.setBackground(Color.blue);
startButton = new Button("start");
startButton.addActionListener(this);
setLayout(null);
add(redButton);
redButton.setBounds(10, 60, 15, 15);
add(greenButton);
greenButton.setBounds(100, 60, 15, 15);
add(blueButton);
blueButton.setBounds(200, 60, 15, 15);
add(startButton);
startButton.setBounds(10, 100, 30, 30);
setBounds(0, 0, 400, 200);
setVisible(true);
validate();
addWindowListener(new WindowAdapter() {
public void windowClosing(WindowEvent e) {
System.exit(0);
}
});
}
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
try {
// 分别启动三个线程
first.start();
second.start();
third.start();
} catch (Exception exp) {
}
}
public void run() {
while (true) {
// 判断当前占有CPU资源的线程是否是first
if ( Thread .currentThread()==first )
{
moveComponent(redButton);
try {
Thread.sleep(20);
} catch (Exception exp) {
}
}
// 判断当前占有CPU资源的线程是否是second
if ( Thread .currentThread()==second)
{
moveComponent(greenButton);
try {
Thread.sleep(10);
} catch (Exception exp) {
}
}
// 判断当前占有CPU资源的线程是否是third
if ( Thread .currentThread()==third )
{
moveComponent(blueButton);
try {
Thread.sleep(20);
} catch (Exception e) {
}
}
}
}
public synchronized void moveComponent(Component b) {
if (Thread.currentThread() == first) {
while (distance > 100 && distance <= 300)
try {
wait();
} catch (Exception exp) {
}
distance = distance + 1;
b.setLocation(distance, 60);
if (distance >= 100) {
b.setLocation(10, 60);
notifyAll();
}
}
if (Thread.currentThread() == second) {
while (distance > 100 && distance <= 300 )
try {
wait();
} catch (Exception exp) {
}
distance = distance + 1;
b.setLocation(distance, 60);
if (distance > 200) {
b.setLocation(100, 60);
notifyAll();
}
}
if (Thread.currentThread() == third) {
while ( distance > 100 && distance <= 300 )
try {
wait();
} catch (Exception exp) {
}
distance = distance + 1;
b.setLocation(distance, 60);
if (distance > 300) {
distance = 10;
b.setLocation(200, 60);
notifyAll();
}
}
}
}
2. 线程的控制（40分）
编写一个程序，动画显示文本域中的字符串。在窗体的南面添加三个按钮，为程序添加线程控制功能，要求点击开始按钮(startBtn)，线程开始启动，文字逐个显示，并且将按钮状态改变为禁用（因为线程不能重复启动）；点击暂停按钮(pauseBtn)，线程暂停，文字显示停止；点击恢复按钮(resumeBtn)，线程恢复运行，文字继续显示。当线程执行完毕后，恢复开始按钮的状态为可用。程序运行界面如下图所示：
阅读并分析以下程序，将程序中的代码补充完整，编译并运行程序，查看结果。
import java.awt.*;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import javax.swing.*;
import javax.swing.border.BevelBorder;
public class RunnableDemo extends JFrame implements Runnable, ActionListener {
private JTextArea textArea; // 文本域组件
JLabel label;
Button startBtn, pauseBtn, resumeBtn;
Panel panel;
Thread thread;
boolean move = false;
// 动画显示的文本字符串
private String introduction = "现在大家已经对计算机很熟悉了，如今计算机的操作"
+ "系统可以同时执行多个任务，在听歌的同时能够打字、下载文件，在聊天窗口打"
+ "字的时候，对方同时还能通过视频看到你；听到你。这一切都是使用多任务实现"
+ "的，Java语言使用多线程实现一个程序中的多个任务同时运行。程序员可以在程"
+ "序中执行多个线程，每一个线程完成一个功能，并与其他线程并发执行，这种机"
+ "制被称为多线程。";
public static void main(String args[]) {
new RunnableDemo(); // 创建本类实例对象
}
public RunnableDemo() {
setTitle("线程的控制");
label = new JLabel("多线程简介："); // 标签组件
getContentPane().add(label, BorderLayout.NORTH);// 添加标签到窗体
textArea = new JTextArea("\t"); // 初始化文本域组件
textArea.setBorder(new BevelBorder(BevelBorder.LOWERED));// 设置边框
textArea.setLineWrap(true); // 设置自动折行
getContentPane().add(textArea, BorderLayout.CENTER);// 添加文本域组件到文本框
startBtn = new Button(" 开始");
pauseBtn = new Button(" 暂停");
resumeBtn = new Button(" 恢复");
startBtn.addActionListener(this);
pauseBtn.addActionListener(this);
resumeBtn.addActionListener(this);
panel = new Panel();
panel.add(startBtn);
panel.add(pauseBtn);
panel.add(resumeBtn);
getContentPane().add(panel, BorderLayout.SOUTH);
setBounds(100, 100, 383, 225); // 设置窗体大小位置
setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
setVisible(true); // 显示窗体
}
/**Runnable接口方法，是线程的执行方法*/
@Override
public void run() {
textArea.setText("\t");
String[] intros = introduction.split(""); // 将字符串分割为数组
for (String ch : intros) { // ForEach遍历字符串数组
while (!move) {
try {
synchronized (this) {
wait();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
textArea.append(ch); // 添加一个字符到文本域
try {
Thread.sleep(100) // 线程休眠0.1秒
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
startBtn.setEnabled(true);
}
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
if (e.getSource() == startBtn) {
move = true;
Thread thread = new Thread(this);
thread.start();
startBtn.setEnabled(false);
} else if (e.getSource() == pauseBtn) {
move = false;
} else if (e.getSource() == resumeBtn) {
move = true;
synchronized (this) {
notify();
}
}
}
}
3. 练习使用Socket和ServerSocket进行套接字编程（10分）
下面是一个简单的字符界面的聊天程序。实验该程序，两人一组在局域网上实现简单的聊天功能。
服务器端程序如下：
import java.io.*;
import java.net.*;
public class ServerDemo {
public static void main(String args[]) {
try {
//创建服务器端Socket，指定端口号4566
ServerSocket server = new ServerSocket(4566); ;
Socket socket = server.accept();
String line;
BufferedReader is = new BufferedReader(new InputStreamReader(
socket.getInputStream()));
PrintWriter os = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
BufferedReader sin = new BufferedReader(new InputStreamReader(
System.in));
System.out.println("Client:" + is.readLine());
System.out.print("Server:");
line = sin.readLine();
while (!line.equals("bye")) {
os.println(line);
os.flush();
System.out.println("Client:" + is.readLine());
System.out.print("Server:");
line = sin.readLine();
}
sin.close();
os.close();
is.close();
socket.close();
server.close();
} catch (Exception e) {
System.out.println("Error:" + e);
}
}
}
客户端程序如下：
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
public class ClientDemo {
public static void main(String args[]) {
try {
//创建客户端Socket，指定服务器端IP地址和端口号
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 4566 ); ;
BufferedReader is = new BufferedReader(new InputStreamReader(
socket.getInputStream()));
PrintWriter os = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
BufferedReader sin = new BufferedReader(new InputStreamReader(
System.in));
String readline;
System.out.print("Client:");
readline = sin.readLine();
while (!readline.equals("bye")) {
os.println(readline);
os.flush();
System.out.println("Server:" + is.readLine());
System.out.println("Client:");
readline = sin.readLine();
}
sin.close();
os.close();
is.close();
socket.close();
} catch (Exception e) {
System.out.println("Error:" + e);
}
}
}
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