Java语言深入：关于多线程程序模型研究

多线程是较复杂程序设计过程中不可缺少的一部分。为了提高应用程序运行的性能，采用多线程的设计是一种比较可行的方案。本文通过介绍使用Java编写的扫描计算机端口的实例，来说明多线程设计中应注重的问题，以及得出经常使用的多线程模型。

本文要求读者具备一定的Java语言基础，对Socket有一定的了解。本文的所有程序在Java SDK 1.4.2编译通过并能正常运行。

现在，我们需要对一台主机扫描其端口，找出哪些端口是open的状态。我们先采用单线程进行处理，程序代码如下：
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import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;

public class PortScannerSingleThread {
public static void main(String[] args) {
String host = null; //第一个参数，目标主机。
int beginport = 1; //第二个参数，开始端口。
int endport = 65535; //第三个参数，结束端口。
try{
host = args[0];
beginport = Integer.parseInt(args[1]);
endport = Integer.parseInt(args[2]);
if(beginport <= 0 || endport >= 65536 || beginport > endport){
throw new Exception("Port is illegal");
}
}catch(Exception e){
System.out.println("Usage: java PortScannerSingleThread host beginport endport");
System.exit(0);
}


for (int i = beginport; i <= endport; i ) {
try {
Socket s = new Socket(host, i);
System.out.println("The port " i " is opened at " host);
}catch (UnknownHostException ex) {
System.err.println(ex);
break;
}catch (IOException ex) {
}
}
}
}
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在以上程序中，通过java.net.Socket类来识别端口是否是open状态。程序接受3个参数，第一个参数是主机IP，第二和第三个参数是需要扫描的起始和中止的端口号（1~65535）。本程序(java PortScannerSingleThread 10.1.1.1 1 1000)运行结果如下：
The port 25 is opened at 10.1.1.182
The port 110 is opened at 10.1.1.182
The port 135 is opened at 10.1.1.182
...

但是，以上程序运行效率实在不敢恭维，把目标主机端口扫描一遍需要十几分钟甚至更长，估计没有哪个用户可以忍受这样的效率。

所以，提高程序处理效率是必须的，下面的程序通过多线程的方法来进行处理。程序代码如下：
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;

public class PortScannerMultiThread {
public static void main(String[] args) {
String host = null;
int beginport = 1;
int endport = 65535;
try{
host = args[0];
beginport = Integer.parseInt(args[1]);
endport = Integer.parseInt(args[2]);
if(beginport <= 0 || endport >= 65536 || beginport > endport){
throw new Exception("Port is illegal");
}
}catch(Exception e){
System.out.println("Usage: java PortScannerSingleThread host beginport endport");
System.exit(0);
}


for (int i = beginport; i <= endport; i ) {
PortProcessor pp = new PortProcessor(host,i); //一个端口创建一个线程
pp.start();
}
}
}

class PortProcessor extends Thread{
String host;
int port;

PortProcessor(String host, int port){
this.host = host;
this.port = port;
}

public void run(){
try{
Socket s = new Socket(host,port);
System.out.println("The port " port " is opened at " host);
}catch(UnknownHostException ex){
System.err.println(ex);
}catch(IOException ioe){
}
}
}
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以上程序在for循环结构中创建PortProcessor对象，PortProcessor类是线程类，其要害的Socket在public void run()方法中实现。此程序比第一个单线程的程序运行效率提高很多倍，几乎在几秒钟内得出结果。所以可见多线程处理是何等的重要。
程序(java PortScannerMultiThread 10.1.1.100 1 1000)运行结果如下：
The port 25 is opened at 10.1.1.100
The port 42 is opened at 10.1.1.100
The port 88 is opened at 10.1.1.100
...

仔细对第2个程序分析，不难发现其中的问题：创建的线程个数是不固定的，取决于输入的第二和第三个参数。假如扫描1～100端口，那么主线程就产生100个线程来分别处理；假如扫描1~10000端口，主线程就会产生10000个线程来进行处理。在JVM中创建如此多的线程同样会带来性能上的问题，因为线程的创建和消失都是需要花费系统资源的。所以以上的第二个程序也存在明显的不足。

所以，我们需要一个确定数量的线程在JVM中运行，这样就需要了解“线程池”(ThreadPool)的概念。线程池在多线程程序设计中是比不可少的，而且初学者不太轻易把握，下面通过对线程池的介绍，结合第3和第4个程序，引出两种常用的线程池模型。