JDK5多线程框架java.util.concurrent

六月ゝ 毕业季﹏ 提交于 2020-03-02 11:01:40

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。

Java代码

  1. package  concurrent;  
  2. import  java.util.concurrent.ExecutorService;  
  3. import  java.util.concurrent.Executors;  
  4. public   class  TestThreadPool {  
  5. public   static   void  main(String args[])  throws  InterruptedException {  
  6. // only two threads   
  7. ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(2 );  
  8. for ( int  index =  0 ; index <  100 ; index++) {  
  9. Runnable run = new  Runnable() {  
  10. public   void  run() {  
  11. long  time = ( long ) (Math.random() *  1000 );  
  12. System.out.println(“Sleeping ” + time + “ms”);  
  13. try  {  
  14. Thread.sleep(time);  
  15. catch  (InterruptedException e) {  
  16. }  
  17. }  
  18. };  
  19. exec.execute(run);  
  20. }  
  21. // must shutdown   
  22. exec.shutdown();  
  23. }  
  24. }  


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。

Java代码

  1. package  concurrent;  
  2. import   static  java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS;  
  3. import  java.util.Date;  
  4. import  java.util.concurrent.Executors;  
  5. import  java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;  
  6. import  java.util.concurrent.ScheduledFuture;  
  7. public   class  TestScheduledThread {  
  8. public   static   void  main(String[] args) {  
  9. final  ScheduledExecutorService scheduler = Executors  
  10. .newScheduledThreadPool(2 );  
  11. final  Runnable beeper =  new  Runnable() {  
  12. int  count =  0 ;  
  13. public   void  run() {  
  14. System.out.println(new  Date() + ” beep ” + (++count));  
  15. }  
  16. };  
  17. // 1秒钟后运行,并每隔2秒运行一次   
  18. final  ScheduledFuture beeperHandle = scheduler.scheduleAtFixedRate(  
  19. beeper, 1 2 , SECONDS);  
  20. // 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   
  21. final  ScheduledFuture beeperHandle2 = scheduler  
  22. .scheduleWithFixedDelay(beeper, 2 5 , SECONDS);  
  23. // 30秒后结束关闭任务,并且关闭Scheduler   
  24. scheduler.schedule(new  Runnable() {  
  25. public   void  run() {  
  26. beeperHandle.cancel(true );  
  27. beeperHandle2.cancel(true );  
  28. scheduler.shutdown();  
  29. }  
  30. }, 30 , SECONDS);  
  31. }  
  32. }  


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。

Java代码

  1. package  concurrent;  
  2. import  java.text.SimpleDateFormat;  
  3. import  java.util.Date;  
  4. import  java.util.concurrent.BrokenBarrierException;  
  5. import  java.util.concurrent.CyclicBarrier;  
  6. import  java.util.concurrent.ExecutorService;  
  7. import  java.util.concurrent.Executors;  
  8. public   class  TestCyclicBarrier {  
  9. // 徒步需要的时间: Shenzhen, Guangzhou, Shaoguan, Changsha, Wuhan   
  10. private   static   int [] timeWalk = {  5 8 15 15 10  };  
  11. // 自驾游   
  12. private   static   int [] timeSelf = {  1 3 4 4 5  };  
  13. // 旅游大巴   
  14. private   static   int [] timeBus = {  2 4 6 6 7  };  
  15.   
  16. static  String now() {  
  17. SimpleDateFormat sdf = new  SimpleDateFormat(“HH:mm:ss”);  
  18. return  sdf.format( new  Date()) + “: “;  
  19. }  
  20.   
  21. static   class  Tour  implements  Runnable {  
  22. private   int [] times;  
  23. private  CyclicBarrier barrier;  
  24. private  String tourName;  
  25. public  Tour(CyclicBarrier barrier, String tourName,  int [] times) {  
  26. this .times = times;  
  27. this .tourName = tourName;  
  28. this .barrier = barrier;  
  29. }  
  30. public   void  run() {  
  31. try  {  
  32. Thread.sleep(times[0 ] *  1000 );  
  33. System.out.println(now() + tourName + ” Reached Shenzhen”);  
  34. barrier.await();  
  35. Thread.sleep(times[1 ] *  1000 );  
  36. System.out.println(now() + tourName + ” Reached Guangzhou”);  
  37. barrier.await();  
  38. Thread.sleep(times[2 ] *  1000 );  
  39. System.out.println(now() + tourName + ” Reached Shaoguan”);  
  40. barrier.await();  
  41. Thread.sleep(times[3 ] *  1000 );  
  42. System.out.println(now() + tourName + ” Reached Changsha”);  
  43. barrier.await();  
  44. Thread.sleep(times[4 ] *  1000 );  
  45. System.out.println(now() + tourName + ” Reached Wuhan”);  
  46. barrier.await();  
  47. catch  (InterruptedException e) {  
  48. catch  (BrokenBarrierException e) {  
  49. }  
  50. }  
  51. }  
  52.   
  53. public   static   void  main(String[] args) {  
  54. // 三个旅行团   
  55. CyclicBarrier barrier = new  CyclicBarrier( 3 );  
  56. ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(3 );  
  57. exec.submit(new  Tour(barrier, “WalkTour”, timeWalk));  
  58. exec.submit(new  Tour(barrier, “SelfTour”, timeSelf));  
  59. exec.submit(new  Tour(barrier, “BusTour”, timeBus));  
  60. exec.shutdown();  
  61. }  
  62. }  


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。

Java代码

  1. package  concurrent;  
  2. import  java.io.File;  
  3. import  java.io.FileFilter;  
  4. import  java.util.concurrent.BlockingQueue;  
  5. import  java.util.concurrent.ExecutorService;  
  6. import  java.util.concurrent.Executors;  
  7. import  java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;  
  8. import  java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;  
  9.   
  10. public   class  TestBlockingQueue {  
  11. static   long  randomTime() {  
  12. return  ( long ) (Math.random() *  1000 );  
  13. }  
  14.   
  15. public   static   void  main(String[] args) {  
  16. // 能容纳100个文件   
  17. final  BlockingQueue queue =  new  LinkedBlockingQueue( 100 );  
  18. // 线程池   
  19. final  ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool( 5 );  
  20. final  File root =  new  File(“F:\\JavaLib”);  
  21. // 完成标志   
  22. final  File exitFile =  new  File(“”);  
  23. // 读个数   
  24. final  AtomicInteger rc =  new  AtomicInteger();  
  25. // 写个数   
  26. final  AtomicInteger wc =  new  AtomicInteger();  
  27. // 读线程   
  28. Runnable read = new  Runnable() {  
  29. public   void  run() {  
  30. scanFile(root);  
  31. scanFile(exitFile);  
  32. }  
  33.   
  34. public   void  scanFile(File file) {  
  35. if  (file.isDirectory()) {  
  36. File[] files = file.listFiles(new  FileFilter() {  
  37. public   boolean  accept(File pathname) {  
  38. return  pathname.isDirectory()  
  39. || pathname.getPath().endsWith(“.java”);  
  40. }  
  41. });  
  42. for  (File one : files)  
  43. scanFile(one);  
  44. else  {  
  45. try  {  
  46. int  index = rc.incrementAndGet();  
  47. System.out.println(“Read0: ” + index + ” “  
  48. + file.getPath());  
  49. queue.put(file);  
  50. catch  (InterruptedException e) {  
  51. }  
  52. }  
  53. }  
  54. };  
  55. exec.submit(read);  
  56. // 四个写线程   
  57. for  ( int  index =  0 ; index <  4 ; index++) {  
  58. // write thread   
  59. final   int  NO = index;  
  60. Runnable write = new  Runnable() {  
  61. String threadName = “Write” + NO;  
  62. public   void  run() {  
  63. while  ( true ) {  
  64. try  {  
  65. Thread.sleep(randomTime());  
  66. int  index = wc.incrementAndGet();  
  67. File file = queue.take();  
  68. // 队列已经无对象   
  69. if  (file == exitFile) {  
  70. // 再次添加”标志”,以让其他线程正常退出   
  71. queue.put(exitFile);  
  72. break ;  
  73. }  
  74. System.out.println(threadName + “: ” + index + ” “  
  75. + file.getPath());  
  76. catch  (InterruptedException e) {  
  77. }  
  78. }  
  79. }  
  80. };  
  81. exec.submit(write);  
  82. }  
  83. exec.shutdown();  
  84. }  
  85. }  


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。

Java代码

  1. package  concurrent;  
  2.   
  3. import  java.util.concurrent.CountDownLatch;  
  4. import  java.util.concurrent.ExecutorService;  
  5. import  java.util.concurrent.Executors;  
  6.   
  7. public   class  TestCountDownLatch {  
  8. public   static   void  main(String[] args)  throws  InterruptedException {  
  9. // 开始的倒数锁   
  10. final  CountDownLatch begin =  new  CountDownLatch( 1 );  
  11. // 结束的倒数锁   
  12. final  CountDownLatch end =  new  CountDownLatch( 10 );  
  13. // 十名选手   
  14. final  ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool( 10 );  
  15. for ( int  index =  0 ; index <  10 ; index++) {  
  16. final   int  NO = index +  1 ;  
  17. Runnable run = new  Runnable(){  
  18. public   void  run() {  
  19. try  {  
  20. begin.await();  
  21. Thread.sleep((long ) (Math.random() *  10000 ));  
  22. System.out.println(“No.” + NO + ” arrived”);  
  23. catch  (InterruptedException e) {  
  24. finally  {  
  25. end.countDown();  
  26. }  
  27. }  
  28. };  
  29. exec.submit(run);  
  30. }  
  31. System.out.println(“Game Start”);  
  32. begin.countDown();  
  33. end.await();  
  34. System.out.println(“Game Over”);  
  35. exec.shutdown();  
  36. }  
  37. }  


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。

Java代码

  1. package  concurrent;  
  2.   
  3. import  java.util.concurrent.Callable;  
  4. import  java.util.concurrent.ExecutionException;  
  5. import  java.util.concurrent.ExecutorService;  
  6. import  java.util.concurrent.Executors;  
  7. import  java.util.concurrent.Future;  
  8.   
  9. public   class  TestFutureTask {  
  10. public   static   void  main(String[] args) throws  InterruptedException,  
  11. ExecutionException {  
  12. final  ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool( 5 );  
  13. Callable call = new  Callable() {  
  14. public  String call()  throws  Exception {  
  15. Thread.sleep(1000  *  5 );  
  16. return  “Other less important but longtime things.”;  
  17. }  
  18. };  
  19. Future task = exec.submit(call);  
  20. // 重要的事情   
  21. Thread.sleep(1000  *  3 );  
  22. System.out.println(“Let’s do  important things.”);  
  23. // 其他不重要的事情   
  24. String obj = task.get();  
  25. System.out.println(obj);  
  26. // 关闭线程池   
  27. exec.shutdown();  
  28. }  
  29. }  


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。

Java代码

  1. package  concurrent;  
  2.   
  3. import  java.util.concurrent.Callable;  
  4. import  java.util.concurrent.CompletionService;  
  5. import  java.util.concurrent.ExecutionException;  
  6. import  java.util.concurrent.ExecutorCompletionService;  
  7. import  java.util.concurrent.ExecutorService;  
  8. import  java.util.concurrent.Executors;  
  9. import  java.util.concurrent.Future;  
  10.   
  11. public   class  TestCompletionService {  
  12. public   static   void  main(String[] args)  throws  InterruptedException,  
  13. ExecutionException {  
  14. ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10 );  
  15. CompletionService serv =  
  16. new  ExecutorCompletionService(exec);  
  17.   
  18. for  ( int  index =  0 ; index <  5 ; index++) {  
  19. final   int  NO = index;  
  20. Callable downImg = new  Callable() {  
  21. public  String call()  throws  Exception {  
  22. Thread.sleep((long ) (Math.random() *  10000 ));  
  23. return  “Downloaded Image ” + NO;  
  24. }  
  25. };  
  26. serv.submit(downImg);  
  27. }  
  28.   
  29. Thread.sleep(1000  *  2 );  
  30. System.out.println(“Show web content”);  
  31. for  ( int  index =  0 ; index <  5 ; index++) {  
  32. Future task = serv.take();  
  33. String img = task.get();  
  34. System.out.println(img);  
  35. }  
  36. System.out.println(“End”);  
  37. // 关闭线程池   
  38. exec.shutdown();  
  39. }  
  40. }  


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。

Java代码

  1. package  concurrent;  
  2.   
  3. import  java.util.concurrent.ExecutorService;  
  4. import  java.util.concurrent.Executors;  
  5. import  java.util.concurrent.Semaphore;  
  6.   
  7. public   class  TestSemaphore {  
  8. public   static   void  main(String[] args) {  
  9. // 线程池   
  10. ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();  
  11. // 只能5个线程同时访问   
  12. final  Semaphore semp =  new  Semaphore( 5 );  
  13. // 模拟20个客户端访问   
  14. for  ( int  index =  0 ; index <  20 ; index++) {  
  15. final   int  NO = index;  
  16. Runnable run = new  Runnable() {  
  17. public   void  run() {  
  18. try  {  
  19. // 获取许可   
  20. semp.acquire();  
  21. System.out.println(“Accessing: ” + NO);  
  22. Thread.sleep((long ) (Math.random() *  10000 ));  
  23. // 访问完后,释放   
  24. semp.release();  
  25. catch  (InterruptedException e) {  
  26. }  
  27. }  
  28. };  
  29. exec.execute(run);  
  30. }  
  31. // 退出线程池   
  32. exec.shutdown();  
  33. }  
  34. }  


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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