Java多线程技术在网络通信系统中的应用
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摘要：多线程技术是Java高级程序语言解决并发处理问题的解决方案，被广泛应用于具有网络通信功能的软件开发工作。本文分析了线程之间通信的原理，介绍了Java多线程技术实现网络通信的原理，指出了Java多线程技术实现线程安全及同步控制的有效途径，提出了基于Java多线程技术的网络通信系统实现方法改进方案。
关键词：Java高级程序语言;多线程技术;网络通信系统
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）08-0108-01
1 线程之间通信的原理
软件程序进行资源分配和调度的基本单位被称为进程，进程中一个单一顺序的控制流被称为线程，线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。进程与线程之间的区别就在于进程有独立的存储空间，而线程之间要共享同一个存储空间。一个软件程序在运行时需要有多个线程同时存在，则称其具有多线程特性。在多线程场景下各线程共享CPU和内存，会出现线程的资源使用和存储空间冲突的情况，如线程同步问题、线程牵制问题等。
多线程技术对线程的管理，就是让线程之间共享资源，通过程序干预来控制线程的执行，在必要时刻还要干扰线程获取资源来实现系统的共享资源异步访问机制。多线程实现了线程的资源异步访问，也实现了线程之间的通信和执行排序任务。
2 Java多线程技术实现网络通信的原理
网络通信系统一般分为服务器和客户端两个组件。早期的服务器端口只能和一个客户端进行通信，当前一个通信未完成时后续访问都处于等待状态，只有关闭端口重新连接才能进行新的线程通信。随着程序设计语言的不断发展和网络环境的不断优化，网络通信系统都具备了多服务器和多客户端相互访问的能力。在解决网络通信问题时就需要多线程技术的支持。
Java的多线程技术支持线程共享存储空间的机制，并且实现了不同线程之间的信息同步与交流，即网络通信。Java语言处理多线程问题的步骤如下：（1）对处理多线程的条件指令进行校验判断，只有在校验通过的情况下才可以让后续的线程继续执行;（2）当某一个线程指令完成后，要通知条件指令进行二次校验，满足条件后让其他线程继续执行;（3）执行上述两个步骤，让线程不断循环执行下去，实现了不间断的网络通信功能。
3 Java多线程技术实现线程安全及同步控制
多线程编程会遇到最大的挑战就是线程安全和同步控制问题。线程安全是指线程并行执行时出现的数据和执行问题，比如线程A在进行集合的遍历查询，线程B则在进行集合的清空操作，这两个线程A和B如果同时进行会出现问题，谁先执行也会对对方的正常执行造成影响。同步控制是指在线程A操作數据时通知其他线程无法获得当前数据，只有线程A完成后其它线程才可以进行访问。Java多线程技术实现线程安全及同步控制的和新方法有synchronized同步锁、wait/notify等待/通知机制、信号量机制等。（1）synchronized 同步锁。Java使用synchronized关键字来实现线程同步锁机制，线程可以使用synchronized来申请资源锁定，别的线程在访问带有synchronized关键字的资源时就会自动进入等待状态。当持有synchronized锁的线程完成操作后，可以释放同步锁让其他线程继续访问系统资源。（2）wait/notify等待/通知机制。在处理线程数量较大，彼此之间频繁通信的多线程场景下，可以使用唤醒等待机制来实现网络通信功能。Java中的wait/notify2个方法就实现了线程的等待通知机制。wait/notify指令要在synchronized 同步锁的基础上执行。对于获得synchronized 同步锁的线程，如果在执行过程中需要等待，可以调用wait方法来进入堵塞队列，与此同时synchronized 锁也会失效，其他线程开始获得同步锁进行处理，处理完成后调用notify方法来归还synchronized 同步锁。当堵塞队列中有较多线程排队时，调用了notify方法的线程会随机通知一个等待线程进行激活，也可以调用notifyAll方法来通知所有等待的线程，得到通知的线程会进入就绪队列进行后续处理。
4 Java多线程实现通信编程
Socket是Java多线程技术的主要类实现，网络通信编程又称为Socket编程。Socket编程基于TCP网络西医，分别实现服务器和客户端。调用ServerSocket来构建服务器线程，为服务器设置固定的IP和端口号;多个客户端程序可以借助Socket实现与服务器的通信和交互，连接结束后服务器还会创建一个Socket对象来记录该次连接。Java多线程实现通信编程的过程如下：（1）网络通信系统服务器端实现。创建服务对象ServerSocket创建服务器对象，让服务器线程等待客户端请求，并返回一个代表本次连接的Socket对象。ServerSocket对象的主要方法有：新建对象，让更多的连接进行定义;按照一定规则构建数据交换机制，记录各个线程的输入输出情况;关闭连接和其他系统资源。（2）网络通信系统客户端实现。服务器端进入等待状态后，可以初始化Socket对象来向服务器端发送请求连接申请，获得申请许可后则按照一定规则进行数据交互，完成连接和操作后也要进行客户端的连接关闭实现。
5 Java多线程实现网络通信系统的改进思路
传统的网络通信系统的服务器程序只能完成一次读取操作，当Socket对象生成并完成请求应答后，在进行后续请求就要断开重连，否则就会对系统服务器造成较大性能影响。为了解决这一问题，可以使用无限循环语句while（true）来实现服务器端的反复进行，但由于程序完成一次信息读取后就会进入等待状态，再使用无限循环语句也不会有什么实际的意义。为了解决无限循环锁死的问题，使用现成技术手段让服务器在循环内读取Socket信息。具体方法就是在服务器结构中加入内部类ReadMessageThread，实现多客户端访问服务器的安全和同步管控。 服務器程序与客户端自由通信的前提是调用serverSocket.accept（）方法，但由于该方法在服务器端口只执行了一次，只能与一个客户端进行通信，另外端口被占用也无法进行自有通信。这对这一问题改进的思路是，让服务器端Socket对象与各个客户端Socket之间建立虚拟线路。具体的改进位置如下：（1）创建用于监听线程的类ConnectSocket，该类在客户端访问服务器场景中生效，可以为每个客户端新建一个对应的服务器网络对象Socket，建立多对多的客户端连接后，生成并启动通信线程类ReadMessageThread（2）修改线程类ReadMessageThread，使得服务器端Socket对象成为通信线程的一个参数。
Application of Network Communication System With Java Multithreading Technology
SHENG Lin-yang1，SHENG Fang-yuan2
（1.Heilongjiang Business College， Harbin Heilongjiang 150025;
2.Heilongjiang Information Technology Vocational College， Harbin Heilongjiang 150025）
Abstract：Multithreading technology is a solution to concurrent processing problems in Java high-level programming language， which is widely used in software development with network communication function. This paper analyses the principle of communication between threads， introduces the principle of Java multi-threading technology to realize network communication， points out the effective way of Java multi-threading technology to realize thread security and synchronization control， and puts forward the improvement scheme of network communication system based on Java multi-threading technology.
Key words：Java Advanced Programming Language; Multithread Technology; Network Communication System
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