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java.util.concurrent 多线程框架

Posted on 2008-04-17 19:11 一步一步努力向上爬 阅读(374) 评论(0)  编辑  收藏 所属分类: J2SE学习

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 复制代码
  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 复制代码
  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 复制代码
  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 复制代码
  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 复制代码
  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 复制代码
  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 复制代码
  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 复制代码
  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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