java多线程学习

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java多线程学习-java.util.concurrent详解

Latch/Barrier

Java1.5提供了一个非常高效实用的多线程包：java.util.concurrent, 提供了大量高级工具，可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的Java多线程程序。从这篇blog起，我将跟大家一起共同学习这些新的Java多线程构件

  1. CountDownLatch 我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： “一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。 用给定的计数 初始化 CountDownLatch。由于调用了 countDown() 方法，所以在当前计数到达零之前，await 方法会一直受阻塞。之后，会释放所有等待的线程，await 的所有后续调用都将立即返回。这种现象只出现一次——计数无法被重置。如果需要重置计数，请考虑使用 CyclicBarrier。” 这就是说，CountDownLatch可以用来管理一组相关的线程执行，只需在主线程中调用CountDownLatch 的await方法（一直阻塞），让各个线程调用countDown方法。当所有的线程都只需完countDown了，await也顺利返回，不再阻塞了。在这样情况下尤其适用：将一个任务分成若干线程执行，等到所有线程执行完，再进行汇总处理。 下面我举一个非常简单的例子。假设我们要打印1-100，最后再输出“Ok“。1-100的打印顺序不要求统一，只需保证“Ok“是在最后出现即可。 解决方案：我们定义一个CountDownLatch，然后开10个线程分别打印（n-1）/10+1至（n-1）/10+10。主线程中调用await方法等待所有线程的执行完毕，每个线程执行完毕后都调用countDown方法。最后再await返回后打印“Ok”。 具体代码如下（本代码参考了JDK示例代码）： Java代码 收藏代码

  2. import java.util.concurrent.CountDownLatch;

  3. ///
  4. /* 示例：CountDownLatch的使用举例
  5. /* Mail: ken@iamcoding.com
  6. /* @author janeky
  7. /*/
  8. public class TestCountDownLatch {
  9. private static final int N = 10;
  11. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  12. CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);
  13. CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);//开始执行信号
  15. for (int i = 1; i <= N; i++) {
  16. new Thread(new Worker(i, doneSignal, startSignal)).start();//线程启动了
  17. }
  18. System.out.println("begin------------");
  19. startSignal.countDown();//开始执行啦
  20. doneSignal.await();//等待所有的线程执行完毕
  21. System.out.println("Ok");
  23. }
  25. static class Worker implements Runnable {
  26. private final CountDownLatch doneSignal;
  27. private final CountDownLatch startSignal;
  28. private int beginIndex;
  30. Worker(int beginIndex, CountDownLatch doneSignal,
  31. CountDownLatch startSignal) {
  32. this.startSignal = startSignal;
  33. this.beginIndex = beginIndex;
  34. this.doneSignal = doneSignal;
  35. }
  37. public void run() {
  38. try {
  39. startSignal.await(); //等待开始执行信号的发布
  40. beginIndex = (beginIndex - 1) /* 10 + 1;
  41. for (int i = beginIndex; i <= beginIndex + 10; i++) {
  42. System.out.println(i);
  43. }
  44. } catch (InterruptedException e) {
  45. e.printStackTrace();
  46. } finally {
  47. doneSignal.countDown();
  48. }
  49. }
  50. }
  51. }
    总结：CounDownLatch对于管理一组相关线程非常有用。上述示例代码中就形象地描述了两种使用情况。第一种是计算器为1，代表了两种状态，开关。第二种是计数器为N，代表等待N个操作完成。今后我们在编写多线程程序时，可以使用这个构件来管理一组独立线程的执行。

  52. CyclicBarrier 我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： “一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中，这些线程必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier。 CyclicBarrier 支持一个可选的 Runnable 命令，在一组线程中的最后一个线程到达之后（但在释放所有线程之前），该命令只在每个屏障点运行一次。若在继续所有参与线程之前更新共享状态，此屏障操作 很有用。 我们在学习CountDownLatch的时候就提到了CyclicBarrier。两者究竟有什么联系呢？引用[JCIP]中的描述“The key difference is that with a barrier, all the threads must come together at a barrier point at the same time in order to proceed. Latches are for waiting for events; barriers are for waiting for other threads。CyclicBarrier等待所有的线程一起完成后再执行某个动作。这个功能CountDownLatch也同样可以实现。但是CountDownLatch更多时候是在等待某个事件的发生。在CyclicBarrier中，所有的线程调用await方法，等待其他线程都执行完。 举一个很简单的例子，今天晚上我们哥们4个去Happy。就互相通知了一下：晚上八点准时到xx酒吧门前集合，不见不散！。有个哥们住的近，早早就到了。有的事务繁忙，刚好踩点到了。无论怎样，先来的都不能独自行动，只能等待所有人 代码如下（参考了网上给的一些教程） Java代码 收藏代码

  53. import java.util.Random;

  54. import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
  55. import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
  56. import java.util.concurrent.ExecutorService;
  57. import java.util.concurrent.Executors;
  59. public class TestCyclicBarrier {
  61. public static void main(String[] args) {
  63. ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
  64. final Random random=new Random();
  66. final CyclicBarrier barrier=new CyclicBarrier(4,new Runnable(){
  67. @Override
  68. public void run() {
  69. System.out.println("大家都到齐了，开始happy去");
  70. }});
  72. for(int i=0;i<4;i++){
  73. exec.execute(new Runnable(){
  74. @Override
  75. public void run() {
  76. try {
  77. Thread.sleep(random.nextInt(1000));
  78. } catch (InterruptedException e) {
  79. e.printStackTrace();
  80. }
  81. System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"到了，其他哥们呢");
  82. try {
  83. barrier.await();//等待其他哥们
  84. } catch (InterruptedException e) {
  85. e.printStackTrace();
  86. } catch (BrokenBarrierException e) {
  87. e.printStackTrace();
  88. }
  89. }});
  90. }
  91. exec.shutdown();
  92. }

  94. }
    关于await方法要特别注意一下，它有可能在阻塞的过程中由于某些原因被中断 总结：CyclicBarrier就是一个栅栏，等待所有线程到达后再执行相关的操作。barrier 在释放等待线程后可以重用。

  95. Semaphore 我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： “一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。” 我们一般用它来控制某个对象的线程访问对象 例如，对于某个容器，我们规定，最多只能容纳n个线程同时操作 使用信号量来模拟实现 具体代码如下（参考 [JCIP]） Java代码 收藏代码

  96. import java.util.Collections;

  97. import java.util.HashSet;
  98. import java.util.Set;
  99. import java.util.concurrent.ExecutorService;
  100. import java.util.concurrent.Executors;
  101. import java.util.concurrent.Semaphore;
  103. public class TestSemaphore {
  105. public static void main(String[] args) {
  106. ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
  107. TestSemaphore t = new TestSemaphore();
  108. final BoundedHashSet set = t.getSet();
  110. for (int i = 0; i < 3; i++) {//三个线程同时操作add
  111. exec.execute(new Runnable() {
  112. public void run() {
  113. try {
  114. set.add(Thread.currentThread().getName());
  115. } catch (InterruptedException e) {
  116. e.printStackTrace();
  117. }
  118. }
  119. });
  120. }
  122. for (int j = 0; j < 3; j++) {//三个线程同时操作remove
  123. exec.execute(new Runnable() {
  124. public void run() {
  125. set.remove(Thread.currentThread().getName());
  126. }
  127. });
  128. }
  129. exec.shutdown();
  130. }
  132. public BoundedHashSet getSet() {
  133. return new BoundedHashSet(2);//定义一个边界约束为2的线程
  134. }
  136. class BoundedHashSet {
  137. private final Set set;
  138. private final Semaphore semaphore;
  140. public BoundedHashSet(int bound) {
  141. this.set = Collections.synchronizedSet(new HashSet());
  142. this.semaphore = new Semaphore(bound, true);
  143. }
  145. public void add(T o) throws InterruptedException {
  146. semaphore.acquire();//信号量控制可访问的线程数目
  147. set.add(o);
  148. System.out.printf("add:%s%n",o);
  149. }
  151. public void remove(T o) {
  152. if (set.remove(o))
  153. semaphore.release();//释放掉信号量
  154. System.out.printf("remove:%s%n",o);
  155. }
  156. }

  157. }
    总结：Semaphore通常用于对象池的控制 4．FutureTask 我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： “取消的异步计算。利用开始和取消计算的方法、查询计算是否完成的方法和获取计算结果的方法，此类提供了对 Future 的基本实现。仅在计算完成时才能获取结果；如果计算尚未完成，则阻塞 get 方法。一旦计算完成，就不能再重新开始或取消计算。 可使用 FutureTask 包装 Callable 或 Runnable 对象。因为 FutureTask 实现了 Runnable，所以可将 FutureTask 提交给 Executor 执行。 除了作为一个独立的类外，此类还提供了 protected 功能，这在创建自定义任务类时可能很有用。 “ 应用举例：我们的算法中有一个很耗时的操作，在编程的是，我们希望将它独立成一个模块，调用的时候当做它是立刻返回的，并且可以随时取消的 具体代码如下（参考 [JCIP]） Java代码 收藏代码

  158. import java.util.concurrent.Callable;

  159. import java.util.concurrent.ExecutionException;
  160. import java.util.concurrent.ExecutorService;
  161. import java.util.concurrent.Executors;
  162. import java.util.concurrent.FutureTask;
  164. public class TestFutureTask {
  166. public static void main(String[] args) {
  167. ExecutorService exec=Executors.newCachedThreadPool();
  169. FutureTask task=new FutureTask(new Callable(){//FutrueTask的构造参数是一个Callable接口
  170. @Override
  171. public String call() throws Exception {
  172. return Thread.currentThread().getName();//这里可以是一个异步操作
  173. }});
  175. try {
  176. exec.execute(task);//FutureTask实际上也是一个线程
  177. String result=task.get();//取得异步计算的结果，如果没有返回，就会一直阻塞等待
  178. System.out.printf("get:%s%n",result);
  179. } catch (InterruptedException e) {
  180. e.printStackTrace();
  181. } catch (ExecutionException e) {
  182. e.printStackTrace();
  183. }
  184. }
  186. }
    总结：FutureTask其实就是新建了一个线程单独执行，使得线程有一个返回值，方便程序的编写

  187. Exchanger 我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： “可以在pair中对元素进行配对和交换的线程的同步点。每个线程将条目上的某个方法呈现给 exchange 方法，与伙伴线程进行匹配，并且在返回时接收其伙伴的对象。Exchanger 可能被视为 SynchronousQueue 的双向形式。Exchanger 可能在应用程序（比如遗传算法和管道设计）中很有用。 “ 应用举例：有两个缓存区，两个线程分别向两个缓存区fill和take，当且仅当一个满了，两个缓存区交换 代码如下（参考了网上给的示例 http://hi.baidu.com/webidea/blog/item/2995e731e53ad5a55fdf0e7d.html） Java代码 收藏代码

  188. import java.util.ArrayList;

  189. import java.util.concurrent.Exchanger;
  191. public class TestExchanger {
  193. public static void main(String[] args) {
  194. final Exchanger> exchanger = new Exchanger>();
  195. final ArrayList buff1 = new ArrayList(10);
  196. final ArrayList buff2 = new ArrayList(10);
  198. new Thread(new Runnable() {
  199. @Override
  200. public void run() {
  201. ArrayList buff = buff1;
  202. try {
  203. while (true) {
  204. if (buff.size() >= 10) {
  205. buff = exchanger.exchange(buff);//开始跟另外一个线程交互数据
  206. System.out.println("exchange buff1");
  207. buff.clear();
  208. }
  209. buff.add((int)(Math.random()/*100));
  210. Thread.sleep((long)(Math.random()/*1000));
  211. }
  212. } catch (InterruptedException e) {
  213. e.printStackTrace();
  214. }
  215. }
  216. }).start();
  218. new Thread(new Runnable(){
  219. @Override
  220. public void run() {
  221. ArrayList buff=buff2;
  222. while(true){
  223. try {
  224. for(Integer i:buff){
  225. System.out.println(i);
  226. }
  227. Thread.sleep(1000);
  228. buff=exchanger.exchange(buff);//开始跟另外一个线程交换数据
  229. System.out.println("exchange buff2");
  230. } catch (InterruptedException e) {
  231. e.printStackTrace();
  232. }
  233. }
  234. }}).start();
  235. }

  236. }
    总结：Exchanger在特定的使用场景比较有用（两个伙伴线程之间的数据交互）

  237. ScheduledThreadPoolExecutor 我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： "可另行安排在给定的延迟后运行命令，或者定期执行命令。需要多个辅助线程时，或者要求 ThreadPoolExecutor 具有额外的灵活性或功能时，此类要优于 Timer。 一旦启用已延迟的任务就执行它，但是有关何时启用，启用后何时执行则没有任何实时保证。按照提交的先进先出 (FIFO) 顺序来启用那些被安排在同一执行时间的任务。 虽然此类继承自 ThreadPoolExecutor，但是几个继承的调整方法对此类并无作用。特别是，因为它作为一个使用 corePoolSize 线程和一个无界队列的固定大小的池，所以调整 maximumPoolSize 没有什么效果。" 在JDK1.5之前，我们关于定时/周期操作都是通过Timer来实现的。但是Timer有以下几种危险[JCIP] a. Timer是基于绝对时间的。容易受系统时钟的影响。 b. Timer只新建了一个线程来执行所有的TimeTask。所有TimeTask可能会相关影响 c. Timer不会捕获TimerTask的异常，只是简单地停止。这样势必会影响其他TimeTask的执行。 如果你是使用JDK1.5以上版本，建议用ScheduledThreadPoolExecutor代替Timer。它基本上解决了上述问题。它采用相对时间，用线程池来执行TimerTask，会出来TimerTask异常。 下面通过一个简单的实例来阐述ScheduledThreadPoolExecutor的使用。

    我们定期让定时器抛异常 我们定期从控制台打印系统时间 代码如下（参考了网上的一些代码，在此表示感谢） Java代码 收藏代码

  238. import java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor;

  239. import java.util.concurrent.TimeUnit;
  242. public class TestScheduledThreadPoolExecutor {
  244. public static void main(String[] args) {
  245. ScheduledThreadPoolExecutor exec=new ScheduledThreadPoolExecutor(1);
  247. exec.scheduleAtFixedRate(new Runnable(){//每隔一段时间就触发异常
  248. @Override
  249. public void run() {
  250. throw new RuntimeException();
  251. }}, 1000, 5000, TimeUnit.MILLISECONDS);
  253. exec.scheduleAtFixedRate(new Runnable(){//每隔一段时间打印系统时间，证明两者是互不影响的
  254. @Override
  255. public void run() {
  256. System.out.println(System.nanoTime());
  257. }}, 1000, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
  258. }
  260. }
    总结：是时候把你的定时器换成 ScheduledThreadPoolExecutor了

7.BlockingQueue “支持两个附加操作的 Queue，这两个操作是：获取元素时等待队列变为非空，以及存储元素时等待空间变得可用。“ 这里我们主要讨论BlockingQueue的最典型实现：LinkedBlockingQueue 和ArrayBlockingQueue。两者的不同是底层的数据结构不够，一个是链表，另外一个是数组。 

后面将要单独解释其他类型的BlockingQueue和SynchronousQueue 
BlockingQueue的经典用途是 生产者-消费者模式 
代码如下：

Java代码 收藏代码

  1. import java.util.Random;
  2. import java.util.concurrent.BlockingQueue;
  3. import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
  5. public class TestBlockingQueue {
  7. public static void main(String[] args) {
  8. final BlockingQueue queue=new LinkedBlockingQueue(3);
  9. final Random random=new Random();
  11. class Producer implements Runnable{
  12. @Override
  13. public void run() {
  14. while(true){
  15. try {
  16. int i=random.nextInt(100);
  17. queue.put(i);//当队列达到容量时候，会自动阻塞的
  18. if(queue.size()==3)
  19. {
  20. System.out.println("full");
  21. }
  22. } catch (InterruptedException e) {
  23. e.printStackTrace();
  24. }
  25. }
  26. }
  27. }
  29. class Consumer implements Runnable{
  30. @Override
  31. public void run() {
  32. while(true){
  33. try {
  34. queue.take();//当队列为空时，也会自动阻塞
  35. Thread.sleep(1000);
  36. } catch (InterruptedException e) {
  37. e.printStackTrace();
  38. }
  39. }
  40. }
  41. }
  43. new Thread(new Producer()).start();
  44. new Thread(new Consumer()).start();
  45. }
  47. }
    总结：BlockingQueue使用时候特别注意take 和 put

  48. DelayQueue 我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： “它是包含Delayed 元素的一个无界阻塞队列，只有在延迟期满时才能从中提取元素。该队列的头部 是延迟期满后保存时间最长的 Delayed 元素。如果延迟都还没有期满，则队列没有头部，并且 poll 将返回 null。当一个元素的 getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) 方法返回一个小于等于 0 的值时，将发生到期。即使无法使用 take 或 poll 移除未到期的元素，也不会将这些元素作为正常元素对待。例如，size 方法同时返回到期和未到期元素的计数。此队列不允许使用 null 元素。” 在现实生活中，很多DelayQueue的例子。就拿上海的SB会来说明，很多国家地区的开馆时间不同。你很早就来到园区，然后急急忙忙地跑到一些心仪的馆区，发现有些还没开，你吃了闭门羹。 仔细研究DelayQueue，你会发现它其实就是一个PriorityQueue的封装（按照delay时间排序），里面的元素都实现了Delayed接口，相关操作需要判断延时时间是否到了。 在实际应用中，有人拿它来管理跟实际相关的缓存、session等 下面我就通过 “上海SB会的例子来阐述DelayQueue的用法” 代码如下： Java代码 收藏代码

  49. import java.util.Random;

  50. import java.util.concurrent.DelayQueue;
  51. import java.util.concurrent.Delayed;
  52. import java.util.concurrent.TimeUnit;
  54. public class TestDelayQueue {
  56. private class Stadium implements Delayed
  57. {
  58. long trigger;
  60. public Stadium(long i){
  61. trigger=System.currentTimeMillis()+i;
  62. }
  64. @Override
  65. public long getDelay(TimeUnit arg0) {
  66. long n=trigger-System.currentTimeMillis();
  67. return n;
  68. }
  70. @Override
  71. public int compareTo(Delayed arg0) {
  72. return (int)(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)-arg0.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
  73. }
  75. public long getTriggerTime(){
  76. return trigger;
  77. }
  79. }
  80. public static void main(String[] args)throws Exception {
  81. Random random=new Random();
  82. DelayQueue queue=new DelayQueue();
  83. TestDelayQueue t=new TestDelayQueue();
  85. for(int i=0;i<5;i++){
  86. queue.add(t.new Stadium(random.nextInt(30000)));
  87. }
  88. Thread.sleep(2000);
  90. while(true){
  91. Stadium s=queue.take();//延时时间未到就一直等待
  92. if(s!=null){
  93. System.out.println(System.currentTimeMillis()-s.getTriggerTime());//基本上是等于0
  94. }
  95. if(queue.size()==0)
  96. break;
  97. }
  98. }
  99. }
    总结：适用于需要延时操作的队列管理

  100. SynchronousQueue 我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： “一种阻塞队列，其中每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作 ，反之亦然。同步队列没有任何内部容量，甚至连一个队列的容量都没有。不能在同步队列上进行 peek，因为仅在试图要移除元素时，该元素才存在；除非另一个线程试图移除某个元素，否则也不能（使用任何方法）插入元素；也不能迭代队列，因为其中没有元素可用于迭代。队列的头 是尝试添加到队列中的首个已排队插入线程的元素；如果没有这样的已排队线程，则没有可用于移除的元素并且 poll() 将会返回 null。对于其他 Collection 方法（例如 contains），SynchronousQueue 作为一个空 collection。此队列不允许 null 元素。 同步队列类似于 CSP 和 Ada 中使用的 rendezvous 信道。它非常适合于传递性设计，在这种设计中，在一个线程中运行的对象要将某些信息、事件或任务传递给在另一个线程中运行的对象，它就必须与该对象同步。 “ 看起来很有意思吧。队列竟然是没有内部容量的。这个队列其实是BlockingQueue的一种实现。每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作，反之亦然。它给我们提供了在线程之间交换单一元素的极轻量级方法 应用举例：我们要在多个线程中传递一个变量。 代码如下（其实就是生产者消费者模式） Java代码 收藏代码

  101. import java.util.Arrays;

  102. import java.util.List;
  103. import java.util.concurrent.BlockingQueue;
  104. import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
  106. public class TestSynchronousQueue {
  108. class Producer implements Runnable {
  109. private BlockingQueue queue;
  110. List objects = Arrays.asList("one", "two", "three");
  112. public Producer(BlockingQueue q) {
  113. this.queue = q;
  114. }
  116. @Override
  117. public void run() {
  118. try {
  119. for (String s : objects) {
  120. queue.put(s);// 产生数据放入队列中
  121. System.out.printf("put:%s%n",s);
  122. }
  123. queue.put("Done");// 已完成的标志
  124. } catch (InterruptedException e) {
  125. e.printStackTrace();
  126. }
  127. }
  128. }
  130. class Consumer implements Runnable {
  131. private BlockingQueue queue;
  133. public Consumer(BlockingQueue q) {
  134. this.queue = q;
  135. }
  137. @Override
  138. public void run() {
  139. String obj = null;
  140. try {
  141. while (!((obj = queue.take()).equals("Done"))) {
  142. System.out.println(obj);//从队列中读取对象
  143. Thread.sleep(3000); //故意sleep，证明Producer是put不进去的
  144. }
  145. } catch (InterruptedException e) {
  146. e.printStackTrace();
  147. }
  148. }
  149. }
  151. public static void main(String[] args) {
  152. BlockingQueue q=new SynchronousQueue();
  153. TestSynchronousQueue t=new TestSynchronousQueue();
  154. new Thread(t.new Producer(q)).start();
  155. new Thread(t.new Consumer(q)).start();
  156. }
  158. }
    总结：SynchronousQueue主要用于单个元素在多线程之间的传递
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