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意的问题，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：
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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){
}
}
}
以上程序在for循环结构中创建PortProcessor对象，PortProcessor类是线程类，其关键的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。如果扫描1～100端口，那么主线程就产生100个线程来分别处理；如果扫描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，而且初学者不太容易掌握，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。
第一种实现线程池的方法是：创建一个”池“，在”池“中增加要处理的数据对象，然后创建一定数量的线程，这些线程对”池“中的对象进行处理。当”池“是空的时候，每个线程处于等待状态；当往”池“里添加一个对象，通知所有等待的线程来处理（当然一个对象只能有一个线程来处理）。
第二种方法是：同样创建一个”池“，但是在”池“中放的不是数据对象，而是线程，可以把”池“中的一个个线程比喻成一个个”工人“，当没有任务的时候，”工人“们严阵以待；当给”池“添加一个任务后，”工人“就开始处理并直到处理完成。
在第3个程序中，定义了List类型的entries作为“池”，这个“池”用来保存需要扫描的端口，List中的元素必须是Object类型，不能用基本数据类型int往池里添加，而需要用使用Integer。在processMethod()方法中，首先就启动一定数量的PortThread线程，同时在while循环中通过entries.add(0, new Integer(port))往“池”里添加对象。在PortThread类的run()方法中通过entry = (Integer)entries.remove(entries.size()-1);取得“池”中的对象，转换成int后传递给Socket构造方法。
第3个程序如下：
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import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.Collections;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
public class PortScanner {
private List entries = Collections.synchronizedList(new LinkedList()); //这个”池“比较特别
int numofthreads;
static int port;
int beginport;
int endport;
InetAddress remote = null;
public boolean isFinished(){
if(port >= endport){
return true;
}else{
return false;
}
}
PortScanner(InetAddress addr, int beginport, int endport, int numofthreads){
this.remote = addr;
this.beginport = beginport;
this.endport = endport;
this.numofthreads = numofthreads;
}
public void processMethod(){
for(int i = 0; i < numofthreads; i++){ //创建一定数量的线程并运行
Thread t = new PortThread(remote, entries, this);
t.start();
}
port = beginport;
while(true){
if(entries.size() > numofthreads){
try{
Thread.sleep(1000); //”池“中的内容太多的话就sleep
}catch(InterruptedException ex){
}
continue;
}
synchronized(entries){
if(port > endport) break;
entries.add(0, new Integer(port)); //往”池“里添加对象，需要使用int对应的Integer类
entries.notifyAll();
port++;
}
}
}
public static void main(String[] args) {
String host = null;
int beginport = 1;
int endport = 65535;
int nThreads = 100;
try{
host = args[0];
beginport = Integer.parseInt(args[1]);
endport = Integer.parseInt(args[2]);
nThreads = Integer.parseInt(args[3]);
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 nThreads");
System.exit(0);
}
try{
PortScanner scanner = new PortScanner(InetAddress.getByName(host), beginport, endport, nThreads);
scanner.processMethod();
}catch(UnknownHostException ex){
}
}
}
class PortThread extends Thread{
private InetAddress remote;
private List entries;
PortScanner scanner;
PortThread(InetAddress add, List entries, PortScanner scanner){
this.remote = add;
this.entries = entries;
this.scanner = scanner;
}
public void run(){
Integer entry;
while(true){
synchronized(entries){
while(entries.size() == 0){
if(scanner.isFinished()) return;
try{
entries.wait(); //”池“里没内容就只能等了
}catch(InterruptedException ex){
}
}
entry = (Integer)entries.remove(entries.size()-1); //把”池“里的东西拿出来进行处理
}
Socket s = null;
try{
s = new Socket(remote, entry.intValue());
System.out.println("The port of " + entry.toString() + " of the remote " + remote +" is opened.");
}catch(IOException e){
}finally{
try{
if(s != null) s.close();
}catch(IOException e){
}
}
}
}
}
以上程序需要4个参数，输入java PortScanner 10.1.1.182 1 10000 100运行（第4个参数是线程数），结果前两个程序一样，但是速度比第一个要快，可能比第二个要慢一些。
第3个程序是把端口作为“池”中的对象，下面我们看第4个实现方式，把“池”里面的对象定义成是线程类，把具体的任务定义成”池“中线程类的参数。第4个程序有2个文件组成，分别是ThreadPool.java和PortScannerByThreadPool.java.
ThreadPool.java文件内容如下：
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import java.util.LinkedList;
public class ThreadPool{
private final int nThreads;
private final PoolWorker[] threads;
private final LinkedList queue;
public ThreadPool(int nThreads){
this.nThreads = nThreads;
queue = new LinkedList();
threads = new PoolWorker[nThreads];
for (int i=0; i<nThreads; i++) {
threads[i] = new PoolWorker();
threads[i].start();
}
}
public void execute(Runnable r) {
synchronized(queue) {
queue.addLast(r);
queue.notifyAll();
}
}
private class PoolWorker extends Thread {
public void run() {
Runnable r;
while (true) {
synchronized(queue) {
while (queue.isEmpty()) {
try{
queue.wait();
}catch (InterruptedException ignored){
}
}
r = (Runnable) queue.removeFirst();
}
try {
r.run();
}
catch (RuntimeException e) {
}
}
}
}
}
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在ThreadPool.java文件中定义了2个类：ThreadPool和PoolWorker。ThreadPool类中的nThreads变量表示线程数，PoolWorker数组类型的threads变量表示线程池中的“工人”，这些“工人”的工作就是一直循环处理通过queue.addLast(r)加入到“池”中的任务。
PortScannerByThreadPool.java文件内容如下：
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
public class PortScannerByThreadPool {
public static void main(String[] args) {
String host = null;
int beginport = 1;
int endport = 65535;
int nThreads = 100;
try{
host = args[0];
beginport = Integer.parseInt(args[1]);
endport = Integer.parseInt(args[2]);
nThreads = Integer.parseInt(args[3]);
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 nThreads");
System.exit(0);
}
ThreadPool tp = new ThreadPool(nThreads);
for(int i = beginport; i <= endport; i++){
Scanner ps = new Scanner(host,i);
tp.execute(ps);
}
}
}
class Scanner implements Runnable{
String host;
int port;
Scanner(String host, int port){
this.host = host;
this.port = port;
}
public void run(){
Socket s = null;
try{
s = new Socket(InetAddress.getByName(host),port);
System.out.println("The port of " + port + " is opened.");
}catch(IOException ex){
}finally{
try{
if(s != null) s.close();
}catch(IOException e){
}
}
}
}
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PortScannerByThreadPool是主程序类，处理输入的4个参数（和第3个程序是一样的）：主机名、开始端口、结束端口和线程数。Scanner类定义了真正的”任务“。在PortScannerByThreadPool中通过new ThreadPool(nThreads)创建ThreadPool对象，然后在for循环中通过new Scanner(host,i)创建”任务“对象，再通过tp.execute(ps)把”任务“对象添加到”池“中。
读者可以编译运行第4个程序，得出的结果和前面的是一样的。但是第4和第3个程序之间最大的差别就是：第4个程序会一直运行下去，不会自动结束。在第3个程序中存在一个isFinished()方法，可以用来判断任务是否处理完毕，而第4个程序中没有这样做。请读者自己思考这个问题。
在第3和第4个程序中，我们可以概括出多线程的模型。第3个程序的线程”池“里装的要处理的对象，第4个程序的线程”池“里装的是”工人“，还需要通过定义”任务“并给把它”派工“给”工人“。我个人比较偏好后者的线程池模型，虽然类的个数多了几个，但逻辑很清晰。不管怎样，第3和第4个程序中关键的部分都大同小异，就是2个synchronized程序块中的内容，如下（第4个程序中的）：
synchronized(queue) {
queue.addLast(r);
queue.notifyAll();
}
和
synchronized(queue) {
while (queue.isEmpty()) {
try{
queue.wait();
}catch (InterruptedException ignored){
}
}
r = (Runnable) queue.removeFirst();
}
一般拿synchronized用来定义方法或程序块，这样可以在多线程同时访问的情况下，保证在一个时刻只能有一个线程对这部分内容进行访问，避免了数据出错。在第3个程序中通过List entries = Collections.synchronizedList(new LinkedList())来定义”池“，在第4个程序中直接用LinkedList queue，都差不多，只是Collections.synchronizedList()可以保证”池“的同步，其实”池“里的内容访问都是在synchronized定义的程序块中，所以不用Collections.synchronizedList()也是可以的。
wait()和notifyAll()是很重要的，而且这2个方法是Object基类的方法，所以任何一个类都是可以使用的。这里说明一个可能产生混淆的问题：queue.wait()并不是说queue对象需要进行等待，而是说queue.wait()所在的线程需要进行等待，并且释放对queue的锁，把对queue的访问权交给别的线程。如果读者对这2个方法难以理解，建议参考JDK的文档说明。
好了，通过以上4个例子的理解，读者应该能对多线程的程序设计有了一定的理解。第3和第4个程序对应线程模型是非常重要的，可以说是多线程程序设计过程中不可或缺的内容。
如果读者对以上的内容有任何疑问，可以和我联系，[email protected] 版权所有，严禁转载
参考资料：
1、《Java Networking Programming, 3rd》written by Elliotte Rusty Harold, Published by O'Reilly,2004
2、“Thread pools and work queues” written by Brian Goetz, Principal Consultant, Quiotix Corp.