如何为这个 CPU 密集型 Java 应用程序提供 GUI？答案

【问题标题】：How do I give this CPU-intensive Java application a GUI?如何为这个 CPU 密集型 Java 应用程序提供 GUI？
【发布时间】：2010-12-14 07:26:00
【问题描述】：

我正在用 Java 编写一个小遗传算法，作为学校作业。到目前为止，我几乎一直坚持做控制台应用程序。但是我认为 UI 对这个程序非常有帮助，所以我想做一个。我无法弄清楚如何协调事件驱动的 GUI 和具有开头和结尾的控制台应用程序。

理想情况下，我希望有一堆用于设置的文本框，然后是一个开始按钮。一旦你点击开始，算法就会开始运行，并且 GUI 会在设定的时间间隔内更新最新的程序状态。在没有算法冻结 GUI 的情况下，我怎么能做到这一点，反之亦然？我不希望任何一方等待另一方。

如何让我的主循环在算法运行时不冻结 GUI？我认为它们需要在单独的线程中，但我以前从未弄乱过线程。对于这项任务来说，这似乎太复杂了，这一定是司空见惯的。

【问题讨论】：

对任何可能觉得这很有用的人的更新：我最终使用了 SwingWorker。这很容易，而且效果很好。我强烈推荐给任何处于相同情况的人。

标签： java user-interface multithreading loops

【解决方案1】：

你正在做一些有线程的事情。在大多数情况下，GUI 编程都需要线程——幸运的是，Java 的线程 API 并不算太糟糕（Python 是基于它建模的，所以它在做一些正确的事情）。

不过，不要被线程吓倒——我会说它是中间的，但每个程序员都应该理解。

那里有很多信息会使您倾向于反对线程。然而，GUI 应用程序是它们非常有用的一个领域。线程的反对者会让你相信事件编程模型在这种情况下会帮助你，但实际上它不会。大多数说“线程很烂”的人提出的解决方案通常比线程本身更糟糕。

您可以尝试将您的解决方案整合到一个线程中，但这需要您的 CPU 密集型代码以可预测的时间间隔屈服于 GUI。那个解决方案很烂。 编辑： 由于其他人建议采用这种方法，让我详细说明它为什么糟糕：你不知道，GUI 中总是会更新一些东西。当您将一个窗口移到顶部然后后退时，该窗口下的整个区域都将失效，并且必须在您的进程中执行代码以重绘该部分。即使您非常快速地更新 GUI，这也会提供负面的用户体验，因为简单的 GUI 操作会完全阻塞。有时，当您将鼠标悬停时，按钮会突出显示。用户右键单击。所有这些事情都需要 CPU 时间来实现，如果您的单独线程正在咀嚼您的 GA，它们就不会发生。正在执行的 GUI 代码不仅是您的代码。

这似乎是very useful article on the topic。

关于该主题的两节课是：

【讨论】：

【解决方案2】：

当我在大学里为我的一门计算机图形课程编写光线追踪器时，我有一个长期运行的任务，我想在追踪器绘制时定期更新显示。我使用了两个单独的线程——一个线程休眠并更新（比如每 500 毫秒）；另一个线程进行实际的光线追踪。关键是在一个公共对象上同步——在我的例子中，访问我的图像缓冲区是同步点（一个线程必须先等到另一个线程完成读取，才能对图像缓冲区进行更改）。

对于您的 GA 处理，您可能有这样的内容（伪代码）：

假设您有一些对象 generationHistoryObject，它存储了您想要在 GUI 中显示的状态，那么：

（在线程 #1 中：）

Generation newGeneration = doMutationAndTestThisGeneration(lastGeneration);
synchronized (generationHistoryObject) {
 generationHistoryObject.updateWithNextGeneration(newGeneration);
}

（在线程 #2 中：）

while (!programIsDone()) {
 synchronized (generationHistoryObject) {
  drawGuiForCurrentState(generationHistoryObject);
 }
 Thread.sleep(500);
}

这个想法是您单独为每一代完成耗时的工作，然后在同步块中更新 GUI 必须访问的部分（让 GUI 等待绘制直到更新完成）。

【讨论】：

我可以只打“同步”，两个线程可以访问同一个对象？这似乎太容易了！
@Ross：在你深入研究线程之后——比如说，大约一年后——向我保证，你会回到 SO 并再次读给你自己的评论。
几乎就是这么简单... synchronized(object) 将阻止两个线程进入在对象的同一实例上同步的块。如果你在多个资源上同步，你必须小心线程陷入死锁，但你可能不需要担心这里。我应该提一下，我的光线追踪器使用了 JOGL，它在一个 while 循环中进行渲染，并不是真正的事件驱动方式与 Swing 相同。
一定要看看其他人发布的一些关于并发和摇摆的文章。
在您的示例中，如果线程 #2 不是事件调度线程 (EDT)，则更为可取。在 EDT 上调用 Thread.sleep(500) 将导致 UI 响应较慢。一个更好的选择是用 javax.swing.Timer 替换 Thread #2，它可以完成同样的事情，但不会阻塞 EDT。请注意，如果您使用 javax.swing.Timer（而不是 java.util.Timer），它将在 EDT 上调用其操作。

【解决方案3】：

由于您的应用程序与遗传算法有关，因此您可以在每一代左右更新 GUI。您可以通过在算法代码中实现 next() 方法并从 GUI 调用它来完成此操作。这应该很简单。

但是，如果您真的不希望 GUI 在等待算法时冻结，您应该使用线程。

【讨论】：

【解决方案4】：

抱歉 - 后台任务似乎是一件简单而明显的事情。不幸的是，Java Swing GUI 线程模型有点复杂。这方面已经有了一些改进，但仍然需要先了解一些线程知识。

如果你有时间，我建议阅读Filthy Rich Clients 中关于线程的章节 - 通过 SwingWorker 进行无痛线程。

如果您不耐烦，请阅读SwingWorker 上的 JavaDoc。如果您真的不耐烦，只需复制 JavaDoc 示例用法中的生命意义示例。

【讨论】：

【解决方案5】：

Swing 的问题在于它是单线程的（这是一件好事），因此您希望将工作从 Swing 线程中移出，以便您的应用程序保持响应。

您需要做的是将核心算法转换为 Runnable，因为它可以由 SwingWorker 和较新的 Executors 轻松处理（请参阅 Executors 了解许多预配置的）。您还可以创建调查如何将 PrintStream 制作为 JTextPanel，这样您就可以使用标准 println 语句来输出您当前的状态信息。

如果你想添加一个停止按钮，你需要了解线程模型，这样你就知道如何控制它。 Java 教程在这方面以及一般的 Swing 编程方面都有很好的材料。强烈推荐。

http://java.sun.com/docs/books/tutorial/uiswing/concurrency/index.html

【讨论】：