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教你java.util.concurrent多线程框架

来源 :中华考试网 2020-11-30

  JDK5中的一个亮点就是将Doug Lea的并发库引入到Java标准库中。Doug Lea确实是一个牛人,能教书,能出书,能编码,不过这在国外还是比较普遍的,而国内的教授们就相差太远了。

  一般的服务器都需要线程池,比如Web、FTP等服务器,不过它们一般都自己实现了线程池,比如以前介绍过的Tomcat、Resin和Jetty等,现在有了JDK5,我们就没有必要重复造车轮了,直接使用就可以,何况使用也很方便,性能也非常高。

  package concurrent;

  import java.util.concurrent.ExecutorService;

  import java.util.concurrent.Executors;

  public class TestThreadPool {

  public static void main(String args[]) throws InterruptedException {

  // only two threads

  ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(2);

  for (int index = 0; index < 100; index++) {

  Runnable run = new Runnable() {

  public void run() {

  long time = (long) (Math.random() * 1000);

  System.out.println("Sleeping " + time + "ms");

  try {

  Thread.sleep(time);

  } catch (InterruptedException e) {

  }

  }

  };

  exec.execute(run);

  }

  // must shutdown

  exec.shutdown();

  }

  }

  上面是一个简单的例子,使用了2个大小的线程池来处理100个线程。但有一个问题:在for循环的过程中,会等待线程池有空闲的线程,所以主线程会 阻塞的。为了解决这个问题,一般启动一个线程来做for循环,就是为了避免由于线程池满了造成主线程阻塞。不过在这里我没有这样处理。[重要修正:经过测 试,即使线程池大小小于实际线程数大小,线程池也不会阻塞的,这与Tomcat的线程池不同,它将Runnable实例放到一个“无限”的 BlockingQueue中,所以就不用一个线程启动for循环,Doug Lea果然厉害]

  另外它使用了Executors 的静态函数生成一个固定的线程池,顾名思义,线程池的线程是不会释放的,即使它是Idle。这就会产生性能问题,比如如果线程池的大小为200,当全部使 用完毕后,所有的线程会继续留在池中,相应的内存和线程切换(while(true)+sleep循环)都会增加。如果要避免这个问题,就必须直接使用 ThreadPoolExecutor()来构造。可以像Tomcat的线程池一样设置“最大线程数”、“最小线程数”和“空闲线程keepAlive的 时间”。通过这些可以基本上替换Tomcat的线程池实现方案。

  需要注意的是线程池必须使用shutdown来显式关闭,否则主线程就无法退出。shutdown也不会阻塞主线程。

  许多长时间运行的应用有时候需要定时运行任务完成一些诸如统计、优化等工作,比如在电信行业中处理用户话单时,需要每隔1分钟处理话单;网站每天凌 晨统计用户访问量、用户数;大型超时凌晨3点统计当天销售额、以及最热卖的商品;每周日进行数据库备份;公司每个月的10号计算工资并进行转帐等,这些都 是定时任务。通过 java的并发库concurrent可以轻 松的完成这些任务,而且非常的简单。

  package concurrent;

  import static java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS;

  import java.util.Date;

  import java.util.concurrent.Executors;

  import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;

  import java.util.concurrent.ScheduledFuture;

  public class TestScheduledThread {

  public static void main(String[] args) {

  final ScheduledExecutorService scheduler = Executors

  .newScheduledThreadPool(2);

  final Runnable beeper = new Runnable() {

  int count = 0;

  public void run() {

  System.out.println(new Date() + " beep " + (++count));

  }

  };

  // 1秒钟后运行,并每隔2秒运行一次

  final ScheduledFuture beeperHandle = scheduler.scheduleAtFixedRate(

  beeper, 1, 2, SECONDS);

  // 2秒钟后运行,并每次在上次任务运行完后等待5秒后重新运行

  final ScheduledFuture beeperHandle2 = scheduler.scheduleWithFixedDelay(

  beeper, 2, 5, SECONDS);

  // 30秒后结束关闭任务,并且关闭Scheduler

  scheduler.schedule(new Runnable() {

  public void run() {

  beeperHandle.cancel(true);

  beeperHandle2.cancel(true);

  scheduler.shutdown();

  }

  }, 30, SECONDS);

  }

  }

  为了退出进程,上面的代码中加入了关闭Scheduler的操作。而对于24小时运行的应用而言,是没有必要关闭Scheduler的。

  在实际应用中,有时候需要多个线程同时工作以完成同一件事情,而且在完成过程中,往往会等待其他线程都完成某一阶段后再执行,等所有线程都到达某一个阶段后再统一执行。

  比如有几个旅行团需要途经深圳、广州、韶关、长沙最后到达武汉。旅行团中有自驾游的,有徒步的,有乘坐旅游大巴的;这些旅行团同时出发,并且每到一个目的地,都要等待其他旅行团到达此地后再同时出发,直到都到达终点站武汉。

  这时候CyclicBarrier就可以派上用场。CyclicBarrier最重要的属性就是参与者个数,另外最要方法是await()。当所有线程都调用了await()后,就表示这些线程都可以继续执行,否则就会等待。

  package concurrent;

  import java.text.SimpleDateFormat;

  import java.util.Date;

  import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;

  import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

  import java.util.concurrent.ExecutorService;

  import java.util.concurrent.Executors;

  public class TestCyclicBarrier {

  // 徒步需要的时间: Shenzhen, Guangzhou, Shaoguan, Changsha, Wuhan

  private static int[] timeWalk = { 5, 8, 15, 15, 10 };

  // 自驾游

  private static int[] timeSelf = { 1, 3, 4, 4, 5 };

  // 旅游大巴

  private static int[] timeBus = { 2, 4, 6, 6, 7 };

  static String now() {

  SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");

  return sdf.format(new Date()) + ": ";

  }

  static class Tour implements Runnable {

  private int[] times;

  private CyclicBarrier barrier;

  private String tourName;

  public Tour(CyclicBarrier barrier, String tourName, int[] times) {

  this.times = times;

  this.tourName = tourName;

  this.barrier = barrier;

  }

  public void run() {

  try {

  Thread.sleep(times[0] * 1000);

  System.out.println(now() + tourName + " Reached Shenzhen");

  barrier.await();

  Thread.sleep(times[1] * 1000);

  System.out.println(now() + tourName + " Reached Guangzhou");

  barrier.await();

  Thread.sleep(times[2] * 1000);

  System.out.println(now() + tourName + " Reached Shaoguan");

  barrier.await();

  Thread.sleep(times[3] * 1000);

  System.out.println(now() + tourName + " Reached Changsha");

  barrier.await();

  Thread.sleep(times[4] * 1000);

  System.out.println(now() + tourName + " Reached Wuhan");

  barrier.await();

  } catch (InterruptedException e) {

  } catch (BrokenBarrierException e) {

  }

  }

  }

  public static void main(String[] args) {

  // 三个旅行团

  CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);

  ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(3);

  exec.submit(new Tour(barrier, "WalkTour", timeWalk));

  exec.submit(new Tour(barrier, "SelfTour", timeSelf));

  exec.submit(new Tour(barrier, "BusTour", timeBus));

  exec.shutdown();

  }

  }

  运行结果:

  00:02:25: SelfTour Reached Shenzhen

  00:02:25: BusTour Reached Shenzhen

  00:02:27: WalkTour Reached Shenzhen

  00:02:30: SelfTour Reached Guangzhou

  00:02:31: BusTour Reached Guangzhou

  00:02:35: WalkTour Reached Guangzhou

  00:02:39: SelfTour Reached Shaoguan

  00:02:41: BusTour Reached Shaoguan

  并发库中的BlockingQueue是一个比较好玩的类,顾名思义,就是阻塞队列。该类主要提供了两个方法put()和take(),前者将一个 对象放到队列中,如果队列已经满了,就等待直到有空闲节点;后者从head取一个对象,如果没有对象,就等待直到有可取的对象。

  下面的例子比较简单,一个读线程,用于将要处理的文件对象添加到阻塞队列中,另外四个写线程用于取出文件对象,为了模拟写操作耗时长的特点,特让线 程睡眠一段随机长度的时间。另外,该Demo也使用到了线程池和原子整型(AtomicInteger),AtomicInteger可以在并发情况下达 到原子化更新,避免使用了synchronized,而且性能非常高。由于阻塞队列的put和take操作会阻塞,为了使线程退出,特在队列中添加了一个 “标识 ”,算法中也叫“哨兵”,当发现这个哨兵后,写线程就退出。

  当然线程池也要显式退出了。

  package concurrent;

  import java.io.File;

  import java.io.FileFilter;

  import java.util.concurrent.BlockingQueue;

  import java.util.concurrent.ExecutorService;

  import java.util.concurrent.Executors;

  import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

  import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

  public class TestBlockingQueue {

  static long randomTime() {

  return (long) (Math.random() * 1000);

  }

  public static void main(String[] args) {

  // 能容纳100个文件

  final BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue(100);

  // 线程池

  final ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(5);

  final File root = new File("F:\\JavaLib");

  // 完成标志

  final File exitFile = new File("");

  // 读个数

  final AtomicInteger rc = new AtomicInteger();

  // 写个数

  final AtomicInteger wc = new AtomicInteger();

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  // 读线程

  Runnable read = new Runnable() {

  public void run() {

  scanFile(root);

  scanFile(exitFile);

  }

  public void scanFile(File file) {

  if (file.isDirectory()) {

  File[] files = file.listFiles(new FileFilter() {

  public boolean accept(File pathname) {

  return pathname.isDirectory()

  || pathname.getPath().endsWith(".java");

  }

  });

  for (File one : files)

  scanFile(one);

  } else {

  try {

  int index = rc.incrementAndGet();

  System.out.println("Read0: " + index + " "

  + file.getPath());

  queue.put(file);

  } catch (InterruptedException e) {

  }

  }

  }

  };

  exec.submit(read);

  // 四个写线程

  for (int index = 0; index < 4; index++) {

  // write thread

  final int NO = index;

  Runnable write = new Runnable() {

  String threadName = "Write" + NO;

  public void run() {

  while (true) {

  try {

  Thread.sleep(randomTime());

  int index = wc.incrementAndGet();

  File file = queue.take();

  // 队列已经无对象

  if (file == exitFile) {

  // 再次添加"标志",以让其他线程正常退出

  queue.put(exitFile);

  break;

  }

  System.out.println(threadName + ": " + index + " "

  + file.getPath());

  } catch (InterruptedException e) {

  }

  }

  }

  };

  exec.submit(write);

  }

  exec.shutdown();

  }

  }

  从名字可以看出,CountDownLatch是一个倒数计数的锁,当倒数到0时触发事件,也就是开锁,其他人就可以进入了。在一些应用场合中,需要等待某个条件达到要求后才能做后面的事情;同时当线程都完成后也会触发事件,以便进行后面的操作。

  CountDownLatch最重要的方法是countDown()和await(),前者主要是倒数一次,后者是等待倒数到0,如果没有到达0,就只有阻塞等待了。

  一个CountDouwnLatch实例是不能重复使用的,也就是说它是一 次 性的,锁一经被打开就不能再关闭使用了,如果想重复使用,请考虑使用CyclicBarrier。

  下面的例子简单的说明了CountDownLatch的使用方法,模拟了100米赛跑,10名选手已经准备就绪,只等裁判一声令下。当所有人都到达终点时,比赛结束。

  同样,线程池需要显式shutdown。

  package concurrent;

  import java.util.concurrent.CountDownLatch;

  import java.util.concurrent.ExecutorService;

  import java.util.concurrent.Executors;

  public class TestCountDownLatch {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

  // 开始的倒数锁

  final CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);

  // 结束的倒数锁

  final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);

  // 十名选手

  final ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);

  for (int index = 0; index < 10; index++) {

  final int NO = index + 1;

  Runnable run = new Runnable() {

  public void run() {

  try {

  begin.await();

  Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

  System.out.println("No." + NO + " arrived");

  } catch (InterruptedException e) {

  } finally {

  end.countDown();

  }

  }

  };

  exec.submit(run);

  }

  System.out.println("Game Start");

  begin.countDown();

  end.await();

  System.out.println("Game Over");

  exec.shutdown();

  }

  }

  运行结果:

  Game Start

  No.4 arrived

  No.1 arrived

  No.7 arrived

  No.9 arrived

  No.3 arrived

  No.2 arrived

  No.8 arrived

  No.10 arrived

  No.6 arrived

  No.5 arrived

  Game Over

  有时候在实际应用中,某些操作很耗时,但又不是不可或缺的步骤。比如用网页浏览器浏览新闻时,最重要的是要显示文字内容,至于与新闻相匹配的图片就没有那 么重要的,所以此时首先保证文字信息先显示,而图片信息会后显示,但又不能不显示,由于下载图片是一个耗时的操作,所以必须一开始就得下载。

  Java的并发库的Future类就可以满足这个要求。Future的重要方法包括get()和cancel(),get()获取数据对象,如果数据没有 加载,就会阻塞直到取到数据,而 cancel()是取消数据加载。另外一个get(timeout)操作,表示如果在timeout时间内没有取到就失败返回,而不再阻塞。

  下面的Demo简单的说明了Future的使用方法:一个非常耗时的操作必须一开始启动,但又不能一直等待;其他重要的事情又必须做,等完成后,就可以做不重要的事情。

  package concurrent;

  import java.util.concurrent.Callable;

  import java.util.concurrent.ExecutionException;

  import java.util.concurrent.ExecutorService;

  import java.util.concurrent.Executors;

  import java.util.concurrent.Future;

  public class TestFutureTask {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException,

  ExecutionException {

  final ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(5);

  Callable call = new Callable() {

  public String call() throws Exception {

  Thread.sleep(1000 * 5);

  return "Other less important but longtime things.";

  }

  };

  Future task = exec.submit(call);

  // 重要的事情

  Thread.sleep(1000 * 3);

  System.out.println("Let’s do important things.");

  // 其他不重要的事情

  String obj = task.get();

  System.out.println(obj);

  // 关闭线程池

  exec.shutdown();

  }

  }

  运行结果:

  Let’s do important things.

  Other less important but longtime things.

  考虑以下场景:浏览网页时,浏览器了5个线程下载网页中的图片文件,由于图片大小、网站访问速度等诸多因素的影响,完成图片下载的时间就会有很大的不同。如果先下载完成的图片就会被先显示到界面上,反之,后下载的图片就后显示。

  Java的并发库的CompletionService可以满足这种场景要求。该接口有两个重要方法:submit()和take()。submit用于 提交一个runnable或者callable,一般会提交给一个线程池处理;而take就是取出已经执行完毕runnable或者callable实例 的Future对象,如果没有满足要求的,就等待了。 CompletionService还有一个对应的方法poll,该方法与take类似,只是不会等待,如果没有满足要求,就返回null对象。

  package concurrent;

  import java.util.concurrent.Callable;

  import java.util.concurrent.CompletionService;

  import java.util.concurrent.ExecutionException;

  import java.util.concurrent.ExecutorCompletionService;

  import java.util.concurrent.ExecutorService;

  import java.util.concurrent.Executors;

  import java.util.concurrent.Future;

  public class TestCompletionService {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException,

  ExecutionException {

  ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);

  CompletionService serv = new ExecutorCompletionService(exec);

  for (int index = 0; index < 5; index++) {

  final int NO = index;

  Callable downImg = new Callable() {

  public String call() throws Exception {

  Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

  return "Downloaded Image " + NO;

  }

  };

  serv.submit(downImg);

  }

  Thread.sleep(1000 * 2);

  System.out.println("Show web content");

  for (int index = 0; index < 5; index++) {

  Future task = serv.take();

  String img = task.get();

  System.out.println(img);

  }

  System.out.println("End");

  // 关闭线程池

  exec.shutdown();

  }

  }

  运行结果:

  Show web content

  Downloaded Image 1

  Downloaded Image 2

  Downloaded Image 4

  Downloaded Image 0

  Downloaded Image 3

  End

  操作系统的信号量是个很重要的概念,在进程控制方面都有应用。Java并发库的Semaphore可以很轻 松完成信号量控制,Semaphore可以控制 某个资源可被同时访问的个数,acquire()获取一个许可,如果没有就等待,而release()释放一个许可。比如在Windows下可以设置共享 文件的最大客户端访问个数。

  Semaphore维护了当前访问的个数,提供同步机制,控制同时访问的个数。在数据结构中链表可以保存“无限”的节点,用Semaphore可以实现有限大小的链表。另外重入锁ReentrantLock也可以实现该功能,但实现上要负责些,代码也要复杂些。

  下面的Demo中申明了一个只有5个许可的Semaphore,而有20个线程要访问这个资源,通过acquire()和release()获取和释放访问许可。

  package concurrent;

  import java.util.concurrent.ExecutorService;

  import java.util.concurrent.Executors;

  import java.util.concurrent.Semaphore;

  public class TestSemaphore {

  public static void main(String[] args) {

  // 线程池

  ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

  // 只能5个线程同时访问

  final Semaphore semp = new Semaphore(5);

  // 模拟20个客户端访问

  for (int index = 0; index < 20; index++) {

  final int NO = index;

  Runnable run = new Runnable() {

  public void run() {

  try {

  // 获取许可

  semp.acquire();

  System.out.println("Accessing: " + NO);

  Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

  // 访问完后,释放

  semp.release();

  } catch (InterruptedException e) {

  }

  }

  };

  exec.execute(run);

  }

  // 退出线程池

  exec.shutdown();

  }

  }

  运行结果:

  Accessing: 0

  Accessing: 1

  Accessing: 2

  Accessing: 3

  Accessing: 4

  Accessing: 5

  Accessing: 6

  Accessing: 7

  Accessing: 8

  Accessing: 9

  Accessing: 10

  Accessing: 11

  Accessing: 12

  Accessing: 13

  Accessing: 14

  Accessing: 15

  Accessing: 16

  Accessing: 17

  Accessing: 18

  Accessing: 19

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