Java多线程编程的教学研究

李青 王江平 朱洁

摘要：多线程编程是Java教学中的难点，也是影响学生网络编程能力的一个重点。文章针对JaVa程序设计课中原理阐述不足的问题，尝试结合操作系统课程中的部分理论及教学工具，通过导入线程的概念、绘制状态转换图和设计同步算法等方式，对Java多线程教学模式进行研究。

关键词：多线程编程；Java；操作系统；状态图；同步分析

0 引言

Java语言是当前最流行的编程语言之一，因为具有跨平台、面向对象、多线程等优点，十分适合网络时代的编程需要，所以受到市场青睐。目前，我国许多高等院校的理工科专业都开设了Java程序没计课程，该课程的特点是实用性和实践性强。学生掌握Java编程能力后，可以完成相应的课程设计，参加大学生创新、移动编程等竞赛，在应聘就业方面也有帮助。这种趋势既让更多的学生对Java产生兴趣，同时对Java教学提出了更高要求。

在Java教学中，多线程编程是难点，它是初级编程发展到高级编程的关键，也是开发实用系统的必备技能。如何理解多线程之间的同步和互斥，理解线程冲突的理论，是教师和学生共同的难点。多线程编程涉及编程思维的转变，也触及平台系统底层的相关知识，正因为多线程编程复杂而特殊，所以该知识点不但是难点，也是重点。

1 多线程教学现状

Java程序设计属于编程课程，因此在教学中往往侧重语法的传授和面向对象编程思想的阐述。大多数相关教材仅在介绍跨平台特性的时候，涉及了一些JVM虚拟机的知识，而对平台系统的底层实现没有过多讲述，因此学生在学习的时候缺少线程概念，更谈不上对并发执行的认识

举一个典型的线程实验：用不同颜色的小方块代表运动员，用变量Speed代表速度。方块的x轴坐标值加上Speed，便可以实现方块在水平方向的移动。只要学生掌握线程编写的方法，知道利用线程来实现方块类，就能够完成这个实验。如果把题目稍加变化，添加一个方向变量Dir。当Dir变化时，判断是增加（减少）小方块的X轴坐标，还是增加（减少）Y轴坐标，从而把题目变成模拟十字路口的交通。

比较前后两个实验，代码并没有增加多少，但是学生在实现模拟交通的时候，不知道如何避免垂直移动的汽车（方块）和水平移动的汽车（方块）之间碰撞的情况，这就是现在Java多线程教学中存在的问题。这个实验看上去暴露的是学生对同步问题的欠缺，归根结底还是对多线程理解不足。即使把本题中的同步机制告诉学生，帮助他们解决了模拟交通的实验题，也不能避免他们被类似问题困扰。

2 改进措施

大学很多课程之间存在前导后续的关系，学习的时候应该联系起来。Java程序设计的线程理论源自操作系统原理这门课程，因此，可以参考操作系统中线程、状态转换和同步这几个知识点，对Java线程的章节进行辅助教学。

2.1 线程概念

进程是操作系统原理课程的知识，参照进程概念的产生和进程的缺陷，可以引出线程的概念，同时阐明线程的优点。

在操作系统的发展历史中，进程概念的产生源于多任务设计。现代操作系统多是多任务系统，为了充分发挥其优点，编程时一般都考虑多任务并行执行。但是，多进程会造成系统资源的紧张，因为不同的进程都有自己专用的全程环境。

在这种情况下，即产生了线程的概念。因为一个进程内的所有线程共享该进程的所有全程环境，线程的唯一专用部分是执行时使用的寄存器和堆栈。显然，利用线程可以大大减少系统在任务切换上花费的时间，从而提高系统的执行效率。

2.2 引入状态转换图

在Java线程包的State类中详细定义和说明了Java线程几种状态（见表1）：NEW、RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED—WAITrNG和TERMrNATED。理解这些线程状态是学生掌握线程知识的关键，但是这些状态的概念和它们之间复杂的转换关系很容易让学生困惑，仅仅把状态罗列出来加上一些例题演示，并不能揭示其中的关联。

操作系统原理课程中利用状态模型绘制三态图，很好地解释了进程状态和促发状态转换的事件。教学中可以参考这个工具，对Java线程的状态进行阐述。

如图1所示，在这张Java的线程状态图中，不但把状态的转换标示清楚，而且把引发原因和对应方法也标注出来。例如，新建状态（NEW）通过调用start（）方法进入就绪状态（RUNNABIE），此外，图中并无第二处有start（）方法，也就意味着不能对已经启动的线程再次调用start（）方法。

当系统选定一个就绪的线程对象，它的状态就转变成执行状态（RUNNING），获得CPU并自动执行自己的run0方法。状态图表明，当时间片结束或者线程对象主动执行yield（）方法，它就会释放CPU资源，再次转为就绪状态。

Java线程的等待状态（BIOCKED）情况复杂，导致线程进入等待的原因有两类：一是自身需要某个事件响应，二是出于同步需要而主动等待。Java语言因此提供了很多对应的方法。

从运行态转入阻塞时，如果是因为等待I/O设备或因为等待其他线程释放Java对象锁，则进入BLOCKED状态，等到设备空闲或获得了对象锁后，线程便可以通过中断转入就绪状态，重新等待系统调度。

同样是阻塞，如果是因为执行了sleep（）方法，或带时间参数的wait（）、join（）等方法，则进入TIMED WAITING状态。这种状态下，线程可以在休眠时间结束后，自动进入就绪状态。

如果因为需要实现同步而在线程内执行了wait（）方法，则线程进入WAITING状态。此时，需要同步算法通过notify0、notifyAIIO两个方法执行唤醒操作，才能让线程重新转为就绪状态。

在课堂上用例题讲解线程状态变化，每题只能说明一种特定的转换，大量冗余的代码容易让学生思路混乱。然而在线程状态图中，众多的Java方法借助箭头定位，使复杂的转换变得直观形象，更加简明概括，这种准确性也是状态图的优势。利用状态图引导学生对线程从创建到结束的整个生命周期进行推导和回溯，可以有效降低多线程问题讲解的难度。

2.3 引入同步的概念

引入状态图后，学生在学习Java线程编程的过程中对线程运行的基本过程有了充分的了解，也能够理解多线程同时执行的原理。但如何控制线程的推进还未接触，也就对线程冲突的问题缺乏认识。造成线程冲突问题的本质是多个线程共享同一资源，同时未能正确地控制执行的顺序。要让学生理解和掌握这部分知识，势必需要引入同步算法的概念，而这是属于典型的操作系统课程范畴。

经典的同步算法，其本质就是让并发执行的多个线程，对临界资源互斥访问，即在某一时问只允许一个线程访问共享数据。操作系统课程中，通过对经典同步问题的分析，清晰地揭示了并发进程在竞争使用的共享资源时导致错误的原因。这和Java多线程编程中，多个线程对同一个数据一进行操作可能引用冲突的原因是一致的。

操作系统中把这种互斥使用的共享资源命名为临界资源，对该资源的操作代码称为临界区。在执行临界区代码时，需要进行同步操作。操作系统原理课程中，介绍了同步机制有锁机制、信号量机制、管程等。这些都是理论知识，具体到Java语言，在同步问题上采用的机制是对象锁。

这个机制的原理是Java的每个对象都有一个内置同步锁以及等待队列。Java中可以使用synchronized关键字来取得一个对象的同步锁。用synchronized关键字修饰的方法和程序块等价于临界区，只允许一个线程访问，其他线程需要进入等待队列，直到进入的线程退出，释放对象锁，这就实现了互斥，而在进入临界区后，可以通过wait0和notify0方法进一步实现同步。

以模拟交通的线程实验为例，垂直和水平两个方向的道路交汇处，需要轮流通行，才能避免不同方向的汽车碰撞，所以可以判定道路交叉的区域是一个临界资源。每次汽车的坐标和这个区域重合，就需要进行临界判断，来决定是否可以进入。具体的算法是，增加一个进入的标志值isBusy，当汽车进入交叉区域时，对isBusy值进行判断，值为false，则修改isBusy值为ture，进入；否则执行wait0方法。同时，当汽车离开交叉区域时，直接修改isBusy值为false，执行notify0方法。

3 效果

经过上述3个过程，教师在Java多线程教学中有机地融合操作系统的相关知识，保持了Java语言编程课程的特色，在项目实验中向学生传授知识。在Java课程中导人操作系统的知识足对大学课程之间有机结合的一种尝试。通过教学实施中的对比，我们发现运用这种新的教学思路，学生对多线程编程的理解和掌握要明显优于传统教学。

从知识掌握的角度来看，学生了解了多线程出现的前因后果，对线程编程中出现的各类错误也能从理解的角度进行改正。通过线程编程实验，学生对之前学习过的操作系统知识也豁然开朗。两门不同的课程知识融合在一起，无形中拓展了学生的知识面，让他们用更加开阔的视野去理解和学习。从学习主动性来说，理解了线程转换的理论后，学生愿意积极主动地尝试，参考课外资料完善自己的理解，并通过编程验证这些理论。经过这个过程，学生的自信心得到了极大增强，在后面的学习过程中，能够主动学习，大胆尝试从其他课程中寻找答案，甚至有所创新。

4 结语

电子商务、电子政务、微博、页游这些基于网络的事物高速发展，对程序员Java编程技术的要求也在不断提高，这些都促使高校Java教学的改革，引入新的教学模式和新的教学思路。探索在Java多线程的课程和操作系统相关知识点对接，让实践得到理论的指导，可以促进学生从理论水平到实践能力的全面提升，也对提高Java程序设计和操作系统原理两门课程的教学效果有启发作用。这种不同课程之间对接学习的方法可以帮助学生形成连贯完整的知识体系，明确知识和技能之间的前导后续关系，最终构建一套立体的课程体系。