李濤,Sun中國(guó)工程研究院工程師
概述
1:三個(gè)新加的多線程包
2:Callable 和 Future接口
3:新的線程執(zhí)行架構(gòu)
4:Lockers和Condition接口
5: Synchronizer:同步裝置
6: BlockingQueue接口
7:Atomics 原子級(jí)變量
8:Concurrent Collections 共點(diǎn)聚集
概述
:
Java
自
1995
年面世以來(lái)得到了廣泛得一個(gè)運(yùn)用,但是對(duì)多線程編程的支持
Java
很長(zhǎng)時(shí)間一直停留在初級(jí)階段。在
Java 5.0
之前
Java
里的多線程編程主要是通過(guò)
Thread
類(lèi),
Runnable
接口,
Object
對(duì)象中的
wait()
、
notify()
、
notifyAll()
等方法和
synchronized
關(guān)鍵詞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些工具雖然能在大多數(shù)情況下解決對(duì)共享資源的管理和線程間的調(diào)度,但存在以下幾個(gè)問(wèn)題
1.?????
過(guò)于原始,拿來(lái)就能用的功能有限,即使是要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的多線程功能也需要編寫(xiě)大量的代碼。這些工具就像匯編語(yǔ)言一樣難以學(xué)習(xí)和使用,比這更糟糕的是稍有不慎它們還可能被錯(cuò)誤地使用,而且這樣的錯(cuò)誤很難被發(fā)現(xiàn)。
2.?????
如果使用不當(dāng),會(huì)使程序的運(yùn)行效率大大降低。
3.?????
為了提高開(kāi)發(fā)效率,簡(jiǎn)化編程,開(kāi)發(fā)人員在做項(xiàng)目的時(shí)候往往需要寫(xiě)一些共享的工具來(lái)實(shí)現(xiàn)一些普遍適用的功能。但因?yàn)闆](méi)有規(guī)范,相同的工具會(huì)被重復(fù)地開(kāi)發(fā),造成資源浪費(fèi)。
4.?????
因?yàn)殒i定的功能是通過(guò)
Synchronized
來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這是一種塊結(jié)構(gòu),只能對(duì)代碼中的一段代碼進(jìn)行鎖定,而且鎖定是單一的。如以下代碼所示:
synchronized
(
lock
)
{
?
?? //
執(zhí)行對(duì)共享資源的操作
??? ……
}
|
?
一些復(fù)雜的功能就很難被實(shí)現(xiàn)。比如說(shuō)如果程序需要取得
lock A
和
lock B
來(lái)進(jìn)行操作
1
,然后需要取得
lock C
并且釋放
lock A
來(lái)進(jìn)行操作
2
,
Java 5.0
之前的多線程框架就顯得無(wú)能為力了。
因?yàn)檫@些問(wèn)題,程序員對(duì)舊的框架一直頗有微詞。這種情況一直到
Java 5.0
才有較大的改觀,一系列的多線程工具包被納入了標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件。這些工具包括了一個(gè)新的多線程程序的執(zhí)行框架,使編程人員可方便地協(xié)調(diào)和調(diào)度線程的運(yùn)行,并且新加入了一些高性能的常用的工具,使程序更容易編寫(xiě),運(yùn)行效率更高。本文將分類(lèi)并結(jié)合例子來(lái)介紹這些新加的多線程工具。
在我們開(kāi)始介紹
Java 5.0
里的新
Concurrent
工具前讓我們先來(lái)看一下一個(gè)用舊的多線程工具編寫(xiě)的程序,這個(gè)程序里有一個(gè)
Server
線程,它需要啟動(dòng)兩個(gè)
Component
,
Server
線程需等到
Component
線程完畢后再繼續(xù)。相同的功能在
Synchronizer
一章里用新加的工具
CountDownLatch
有相同的實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)程序,孰優(yōu)孰劣,哪個(gè)程序更容易編寫(xiě),哪個(gè)程序更容易理解,相信大家看過(guò)之后不難得出結(jié)論。
public class ServerThread {
????? Object concLock = new Object();
????? int count = 2;
public void runTwoThreads() {
?????
//
啟動(dòng)兩個(gè)線程去初始化組件
??????????? new Thread(new ComponentThread1(this)).start();
??????????? new Thread(new ComponentThread1(this)).start();
??????????? // Wait for other thread
while(count != 0) {
????????????????? synchronized(concLock) {
??????????????????????? try {
????????????????????????????? concLock.wait();
????????????????????????????? System.out.println("Wake up.");
??????????????????????? } catch (InterruptedException ie) { //
處理異常
}
????????????????? }
??????????? }
??????????? System.out.println("Server is up.");
????? }
????? public void callBack() {
synchronized(concLock) {
????????????????? count--;
????????????????? concLock.notifyAll();
??????????? }
????? }
????? public static void main(String[] args){
??????????? ServerThread server = new ServerThread();
??????????? server.runTwoThreads();
????? }
}
?
public class ComponentThread1 implements Runnable {
????? private ServerThread server;
????? public ComponentThread1(ServerThread server) {
??????????? this.server = server;
????? }
public void run() {
????? //
做組件初始化的工作
??????????? System.out.println("Do component initialization.");
??????????? server.callBack();
????? }
}
|
1:三個(gè)新加的多線程包
Java 5.0
里新加入了三個(gè)多線程包:
java.util.concurrent, java.util.concurrent.atomic, java.util.concurrent.locks.
-
java.util.concurrent
包含了常用的多線程工具,是新的多線程工具的主體。
-
java.util.concurrent.atomic
包含了不用加鎖情況下就能改變值的原子變量,比如說(shuō)
AtomicInteger
提供了
addAndGet()
方法。
Add
和
Get
是兩個(gè)不同的操作,為了保證別的線程不干擾,以往的做法是先鎖定共享的變量,然后在鎖定的范圍內(nèi)進(jìn)行兩步操作。但用
AtomicInteger.addAndGet()
就不用擔(dān)心鎖定的事了,其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)保證了這兩步操作是在原子量級(jí)發(fā)生的,不會(huì)被別的線程干擾。
-
java.util.concurrent.locks
包包含鎖定的工具。
2:Callable 和 Future接口
Callable
是類(lèi)似于
Runnable
的接口,實(shí)現(xiàn)
Callable
接口的類(lèi)和實(shí)現(xiàn)
Runnable
的類(lèi)都是可被其它線程執(zhí)行的任務(wù)。
Callable
和
Runnable
有幾點(diǎn)不同:
-
Callable
規(guī)定的方法是
call()
,而
Runnable
規(guī)定的方法是
run().
-
Callable
的任務(wù)執(zhí)行后可返回值,而
Runnable
的任務(wù)是不能返回值的。
-
call
()方法可拋出異常,而
run
()方法是不能拋出異常的。
-
運(yùn)行
Callable
任務(wù)可拿到一個(gè)
Future
對(duì)象,通過(guò)
Future
對(duì)象可了解任務(wù)執(zhí)行情況,可取消任務(wù)的執(zhí)行,還可獲取任務(wù)執(zhí)行的結(jié)果。
以下是
Callable
的一個(gè)例子:
public class DoCallStuff implements Callable<String>{ // *1
??????? private int aInt;
??????? public DoCallStuff(int aInt) {
??????????????? this.aInt = aInt;
??????? }
??????? public String call() throws Exception { //*2
??????????????? boolean resultOk = false;
??????????????? if(aInt == 0){
??????????????????????? resultOk = true;
??????????????? }? else if(aInt == 1){
??????????????????????? while(true){ //infinite loop
??????????????????
?????????????System.out.println("looping....");
??????????????????????????????? Thread.sleep(3000);
??????????????????????? }
??????????????? } else {
???????????????????????
throw new Exception("Callable terminated with Exception!"); //*3
??????????????? }
??????????????? if(resultOk){
??????????????????????? return "Task done.";
??????????????? } else {
??????????????????????? return "Task failed";
??????????????? }
??????? }
}
|
*1:
名為
DoCallStuff
類(lèi)實(shí)現(xiàn)了
Callable<String>
,
String
將是
call
方法的返回值類(lèi)型。例子中用了
String
,但可以是任何
Java
類(lèi)。
*2: call
方法的返回值類(lèi)型為
String
,這是和類(lèi)的定義相對(duì)應(yīng)的。并且可以拋出異常。
*3: call
方法可以拋出異常,如加重的斜體字所示。
以下是調(diào)用
DoCallStuff
的主程序。
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
public class Executor {
??????? public static void main(String[] args){
??????????????? //*1
??????????????? DoCallStuff call1 = new DoCallStuff(0);
??????????????? DoCallStuff call2 = new DoCallStuff(1);
??????????????? DoCallStuff call3 = new DoCallStuff(2);
??????????????? //*2
??????????????? ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(3);
??????????????? //*3
??????????????? Future<String> future1 = es.submit(call1);
??????????????? Future<String> future2 = es.submit(call2);
????
???????????Future<String> future3 = es.submit(call3);
??????????????? try {
??????????????????????? //*4
??????????????????????? System.out.println(future1.get());
???????????????????????? //*5
??????????????????????? Thread.sleep(3000);
?????????????????
??????System.out.println("Thread 2 terminated? :" + future2.cancel(true));
??????????????????????? //*6
??????????????????????? System.out.println(future3.get());
??????????????? } catch (ExecutionException ex) {
??????????????????????? ex.printStackTrace();
??????????????? } catch (InterruptedException ex) {
??????????????????????? ex.printStackTrace();
??????????????? }
??????? }
}
|
*1:
定義了幾個(gè)任務(wù)
*2:
初始了任務(wù)執(zhí)行工具。任務(wù)的執(zhí)行框架將會(huì)在后面解釋。
*3:
執(zhí)行任務(wù),任務(wù)啟動(dòng)時(shí)返回了一個(gè)
Future
對(duì)象,如果想得到任務(wù)執(zhí)行的結(jié)果或者是異??蓪?duì)這個(gè)
Future
對(duì)象進(jìn)行操作。
Future
所含的值必須跟
Callable
所含的值對(duì)映,比如說(shuō)例子中
Future<String>
對(duì)印
Callable<String>
*4:
任務(wù)
1
正常執(zhí)行完畢,
future1.get()
會(huì)返回線程的值
*5:
任務(wù)
2
在進(jìn)行一個(gè)死循環(huán),調(diào)用
future2.cancel(true)
來(lái)中止此線程。傳入的參數(shù)標(biāo)明是否可打斷線程,
true
表明可以打斷。
*6:
任務(wù)
3
拋出異常,調(diào)用
future3.get()
時(shí)會(huì)引起異常的拋出。
?
運(yùn)行
Executor
會(huì)有以下運(yùn)行結(jié)果:
looping....
Task done. //*1
looping....
looping....//*2
looping....
looping....
looping....
looping....
Thread 2 terminated? :true //*3
//*4
java.util.concurrent.ExecutionException: java.lang.Exception: Callable terminated with Exception!
??????? at java.util.concurrent.FutureTask$Sync.innerGet(FutureTask.java:205)
??????? at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:80)
??????? at concurrent.Executor.main(Executor.java:43)
??????? …….
|
*1:
任務(wù)
1
正常結(jié)束
*2:
任務(wù)
2
是個(gè)死循環(huán),這是它的打印結(jié)果
*3:
指示任務(wù)
2
被取消
*4:
在執(zhí)行
future3.get()
時(shí)得到任務(wù)
3
拋出的異常
3:新的任務(wù)執(zhí)行架構(gòu)
在
Java 5.0
之前啟動(dòng)一個(gè)任務(wù)是通過(guò)調(diào)用
Thread
類(lèi)的
start()
方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的,任務(wù)的提于交和執(zhí)行是同時(shí)進(jìn)行的,如果你想對(duì)任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)行調(diào)度或是控制同時(shí)執(zhí)行的線程數(shù)量就需要額外編寫(xiě)代碼來(lái)完成。
5.0
里提供了一個(gè)新的任務(wù)執(zhí)行架構(gòu)使你可以輕松地調(diào)度和控制任務(wù)的執(zhí)行,并且可以建立一個(gè)類(lèi)似數(shù)據(jù)庫(kù)連接池的線程池來(lái)執(zhí)行任務(wù)。這個(gè)架構(gòu)主要有三個(gè)接口和其相應(yīng)的具體類(lèi)組成。這三個(gè)接口是
Executor, ExecutorService
和
ScheduledExecutorService
,讓我們先用一個(gè)圖來(lái)顯示它們的關(guān)系:
?
圖的左側(cè)是接口,圖的右側(cè)是這些接口的具體類(lèi)。注意
Executor
是沒(méi)有直接具體實(shí)現(xiàn)的。
Executor
接口:
是用來(lái)執(zhí)行
Runnable
任務(wù)的,它只定義一個(gè)方法:
-
execute(Runnable command)
:執(zhí)行
Ruannable
類(lèi)型的任務(wù)
ExecutorService
接口:
ExecutorService
繼承了
Executor
的方法,并提供了執(zhí)行
Callable
任務(wù)和中止任務(wù)執(zhí)行的服務(wù),其定義的方法主要有:
-
submit(task)
:可用來(lái)提交
Callable
或
Runnable
任務(wù),并返回代表此任務(wù)的
Future
對(duì)象
-
invokeAll(collection of tasks)
:批處理任務(wù)集合,并返回一個(gè)代表這些任務(wù)的
Future
對(duì)象集合
-
shutdown()
:在完成已提交的任務(wù)后關(guān)閉服務(wù),不再接受新任務(wù)
-
shutdownNow()
:停止所有正在執(zhí)行的任務(wù)并關(guān)閉服務(wù)。
-
isTerminated()
:測(cè)試是否所有任務(wù)都執(zhí)行完畢了。
-
isShutdown()
:測(cè)試是否該
ExecutorService
已被關(guān)閉
ScheduledExecutorService
接口
在
ExecutorService
的基礎(chǔ)上,
ScheduledExecutorService
提供了按時(shí)間安排執(zhí)行任務(wù)的功能,它提供的方法主要有:
-
schedule(task, initDelay):
安排所提交的
Callable
或
Runnable
任務(wù)在
initDelay
指定的時(shí)間后執(zhí)行。
-
scheduleAtFixedRate()
:安排所提交的
Runnable
任務(wù)按指定的間隔重復(fù)執(zhí)行
-
scheduleWithFixedDelay()
:安排所提交的
Runnable
任務(wù)在每次執(zhí)行完后,等待
delay
所指定的時(shí)間后重復(fù)執(zhí)行。
代碼:
ScheduleExecutorService
的例子
public class ScheduledExecutorServiceTest {
??????? public static void main(String[] args)
?????????????? throws InterruptedException, ExecutionException{
?????????????? //*1
??????????????? ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(2);
??????????????? //*2
??????????????? Runnable task1 = new Runnable() {
???????????????????? public void run() {
??????????????????????? System.out.println("Task repeating.");
???????????????????? }
??????????????? };
??????????????? //*3
??????????????? final ScheduledFuture future1 =
??????????????????????? service.scheduleAtFixedRate(task1, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);
??????????????? //*4
??????????????? ScheduledFuture<String> future2 = service.schedule(new Callable<String>(){
???????????????????? public String call(){
???????????????????????????? future1.cancel(true);
???????????????????????????? return "task cancelled!";
???????????????
?????}
??????????????? }, 5, TimeUnit.SECONDS);
??????????????? System.out.println(future2.get());
//*5
service.shutdown();
??????? }
}
|
這個(gè)例子有兩個(gè)任務(wù),第一個(gè)任務(wù)每隔一秒打印一句“
Task repeating
”
,
第二個(gè)任務(wù)在
5
秒鐘后取消第一個(gè)任務(wù)。
*1:
初始化一個(gè)
ScheduledExecutorService
對(duì)象,這個(gè)對(duì)象的線程池大小為
2
。
*2:
用內(nèi)函數(shù)的方式定義了一個(gè)
Runnable
任務(wù)。
*3:
調(diào)用所定義的
ScheduledExecutorService
對(duì)象來(lái)執(zhí)行任務(wù),任務(wù)每秒執(zhí)行一次。能重復(fù)執(zhí)行的任務(wù)一定是
Runnable
類(lèi)型。注意我們可以用
TimeUnit
來(lái)制定時(shí)間單位,這也是
Java 5.0
里新的特征,
5.0
以前的記時(shí)單位是微秒,現(xiàn)在可精確到奈秒。
*4:
調(diào)用
ScheduledExecutorService
對(duì)象來(lái)執(zhí)行第二個(gè)任務(wù),第二個(gè)任務(wù)所作的就是在
5
秒鐘后取消第一個(gè)任務(wù)。
*5:
關(guān)閉服務(wù)。
Executors
類(lèi)
雖然以上提到的接口有其實(shí)現(xiàn)的具體類(lèi),但為了方便
Java 5.0
建議使用
Executors
的工具類(lèi)來(lái)得到
Executor
接口的具體對(duì)象,需要注意的是
Executors
是一個(gè)類(lèi),不是
Executor
的復(fù)數(shù)形式。
Executors
提供了以下一些
static
的方法:
-
callable(Runnable task):
將
Runnable
的任務(wù)轉(zhuǎn)化成
Callable
的任務(wù)
-
newSingleThreadExecutor:
產(chǎn)生一個(gè)
ExecutorService
對(duì)象,這個(gè)對(duì)象只有一個(gè)線程可用來(lái)執(zhí)行任務(wù),若任務(wù)多于一個(gè),任務(wù)將按先后順序執(zhí)行。
-
newCachedThreadPool():
產(chǎn)生一個(gè)
ExecutorService
對(duì)象,這個(gè)對(duì)象帶有一個(gè)線程池,線程池的大小會(huì)根據(jù)需要調(diào)整,線程執(zhí)行完任務(wù)后返回線程池,供執(zhí)行下一次任務(wù)使用。
-
newFixedThreadPool(int poolSize)
:產(chǎn)生一個(gè)
ExecutorService
對(duì)象,這個(gè)對(duì)象帶有一個(gè)大小為
poolSize
的線程池,若任務(wù)數(shù)量大于
poolSize
,任務(wù)會(huì)被放在一個(gè)
queue
里順序執(zhí)行。
-
newSingleThreadScheduledExecutor
:產(chǎn)生一個(gè)
ScheduledExecutorService
對(duì)象,這個(gè)對(duì)象的線程池大小為
1
,若任務(wù)多于一個(gè),任務(wù)將按先后順序執(zhí)行。
-
newScheduledThreadPool(int poolSize):
產(chǎn)生一個(gè)
ScheduledExecutorService
對(duì)象,這個(gè)對(duì)象的線程池大小為
poolSize
,若任務(wù)數(shù)量大于
poolSize
,任務(wù)會(huì)在一個(gè)
queue
里等待執(zhí)行
以下是得到和使用
ExecutorService
的例子:
代碼:如何調(diào)用
Executors
來(lái)獲得各種服務(wù)對(duì)象
//Single Threaded ExecutorService
???? ExecutorService singleThreadeService = Executors.newSingleThreadExecutor();
//Cached ExecutorService
???? ExecutorService cachedService = Executors.newCachedThreadPool();
//Fixed number of ExecutorService
???? ExecutorService fixedService = Executors.newFixedThreadPool(3);
//Single ScheduledExecutorService
???? ScheduledExecutorService singleScheduledService =
????????? Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
//Fixed number of ScheduledExecutorService
ScheduledExecutorService fixedScheduledService =
???? Executors.newScheduledThreadPool(3);
|
4:Lockers和Condition接口
在多線程編程里面一個(gè)重要的概念是鎖定,如果一個(gè)資源是多個(gè)線程共享的,為了保證數(shù)據(jù)的完整性,在進(jìn)行事務(wù)性操作時(shí)需要將共享資源鎖定,這樣可以保證在做事務(wù)性操作時(shí)只有一個(gè)線程能對(duì)資源進(jìn)行操作,從而保證數(shù)據(jù)的完整性。在
5.0
以前,鎖定的功能是由
Synchronized
關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這樣做存在幾個(gè)問(wèn)題:
-
每次只能對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行鎖定。若需要鎖定多個(gè)對(duì)象,編程就比較麻煩,一不小心就會(huì)出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。
-
如果線程因拿不到鎖定而進(jìn)入等待狀況,是沒(méi)有辦法將其打斷的
在
Java 5.0
里出現(xiàn)兩種鎖的工具可供使用,下圖是這兩個(gè)工具的接口及其實(shí)現(xiàn):
Lock
接口
ReentrantLock
是
Lock
的具體類(lèi),
Lock
提供了以下一些方法:
-
lock():
請(qǐng)求鎖定,如果鎖已被別的線程鎖定,調(diào)用此方法的線程被阻斷進(jìn)入等待狀態(tài)。
-
tryLock()
:如果鎖沒(méi)被別的線程鎖定,進(jìn)入鎖定狀態(tài),并返回
true
。若鎖已被鎖定,返回
false
,不進(jìn)入等待狀態(tài)。此方法還可帶時(shí)間參數(shù),如果鎖在方法執(zhí)行時(shí)已被鎖定,線程將繼續(xù)等待規(guī)定的時(shí)間,若還不行才返回
false
。
-
unlock()
:取消鎖定,需要注意的是
Lock
不會(huì)自動(dòng)取消,編程時(shí)必須手動(dòng)解鎖。
代碼:
//
生成一個(gè)鎖
Lock lock = new ReentrantLock();
public void accessProtectedResource() {
?
lock.lock(); //
取得鎖定
? try {
??? //
對(duì)共享資源進(jìn)行操作
? } finally {
??? //
一定記著把鎖取消掉,鎖本身是不會(huì)自動(dòng)解鎖的
???
lock.unlock()
;
? }
}
|
ReadWriteLock
接口
為了提高效率有些共享資源允許同時(shí)進(jìn)行多個(gè)讀的操作,但只允許一個(gè)寫(xiě)的操作,比如一個(gè)文件,只要其內(nèi)容不變可以讓多個(gè)線程同時(shí)讀,不必做排他的鎖定,排他的鎖定只有在寫(xiě)的時(shí)候需要,以保證別的線程不會(huì)看到數(shù)據(jù)不完整的文件。
ReadWriteLock
可滿足這種需要。
ReadWriteLock
內(nèi)置兩個(gè)
Lock
,一個(gè)是讀的
Lock
,一個(gè)是寫(xiě)的
Lock
。多個(gè)線程可同時(shí)得到讀的
Lock
,但只有一個(gè)線程能得到寫(xiě)的
Lock
,而且寫(xiě)的
Lock
被鎖定后,任何線程都不能得到
Lock
。
ReadWriteLock
提供的方法有:
-
readLock():
返回一個(gè)讀的
lock
-
writeLock():
返回一個(gè)寫(xiě)的
lock,
此
lock
是排他的。
ReadWriteLock
的例子:
public class FileOperator{
????? //
初始化一個(gè)
ReadWriteLock
?????
ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
public String read() {
????? //
得到
readLock
并鎖定
??????????? Lock readLock = lock.readLock();
??????
?????readLock.lock();
??????????? try {
????????????????? //
做讀的工作
????????????????? return "Read something";
??????????? } finally {
???????????????? readLock.unlock();
??????????? }
????? }
?????
public void write(String content) {
????? //
得到
writeLock
并鎖定
??????????? Lock writeLock = lock.writeLock();
??????????? writeLock.lock();
??????????? try {
????????????????? //
做讀的工作
??????????? } finally {
????????????????
writeLock.unlock();
??????????? }
????? }
}
|
?
需要注意的是
ReadWriteLock
提供了一個(gè)高效的鎖定機(jī)理,但最終程序的運(yùn)行效率是和程序的設(shè)計(jì)息息相關(guān)的,比如說(shuō)如果讀的線程和寫(xiě)的線程同時(shí)在等待,要考慮是先發(fā)放讀的
lock
還是先發(fā)放寫(xiě)的
lock
。如果寫(xiě)發(fā)生的頻率不高,而且快,可以考慮先給寫(xiě)的
lock
。還要考慮的問(wèn)題是如果一個(gè)寫(xiě)正在等待讀完成,此時(shí)一個(gè)新的讀進(jìn)來(lái),是否要給這個(gè)新的讀發(fā)鎖,如果發(fā)了,可能導(dǎo)致寫(xiě)的線程等很久。等等此類(lèi)問(wèn)題在編程時(shí)都要給予充分的考慮。
Condition
接口:
有時(shí)候線程取得
lock
后需要在一定條件下才能做某些工作,比如說(shuō)經(jīng)典的
Producer
和
Consumer
問(wèn)題,
Consumer
必須在籃子里有蘋(píng)果的時(shí)候才能吃蘋(píng)果,否則它必須暫時(shí)放棄對(duì)籃子的鎖定,等到
Producer
往籃子里放了蘋(píng)果后再去拿來(lái)吃。而
Producer
必須等到籃子空了才能往里放蘋(píng)果,否則它也需要暫時(shí)解鎖等
Consumer
把蘋(píng)果吃了才能往籃子里放蘋(píng)果。在
Java 5.0
以前,這種功能是由
Object
類(lèi)的
wait(), notify()
和
notifyAll()
等方法實(shí)現(xiàn)的,在
5.0
里面,這些功能集中到了
Condition
這個(gè)接口來(lái)實(shí)現(xiàn),
Condition
提供以下方法:
-
await()
:使調(diào)用此方法的線程放棄鎖定,進(jìn)入睡眠直到被打斷或被喚醒。
-
signal():
喚醒一個(gè)等待的線程
-
signalAll()
:?jiǎn)拘阉械却木€程
Condition
的例子:
public class Basket {?????
Lock lock = new ReentrantLock();
//
產(chǎn)生
Condition
對(duì)象
???? Condition produced = lock.newCondition();
???? Condition consumed = lock.newCondition();
???? boolean available = false;
??
??
???? public void produce() throws InterruptedException {
?????????? lock.lock();
?????????? try {
???????????????? if(available){
??????????????????? consumed.await(); //
放棄
lock
進(jìn)入睡眠
?
???????????????? }
???????????????? /*
生產(chǎn)蘋(píng)果
*/
???????????????? System.out.println("Apple produced.");
???????????????? available = true;
????????????????
produced.signal(); //
發(fā)信號(hào)喚醒等待這個(gè)
Condition
的線程
?????????? } finally {
???????????????? lock.unlock();
?????????? }
???? }
????
???? public void consume() throws InterruptedException {
?????????? lock.lock();
?????????? try {
???????????????? if(!available){
??????????????????????
produced.await();//
放棄
lock
進(jìn)入睡眠
?
???????????????? }
???????????????? /*
吃蘋(píng)果
*/
???????????????? System.out.println("Apple consumed.");
???????????????? available = false;
????????????????
consumed.signal();//
發(fā)信號(hào)喚醒等待這個(gè)
Condition
的線程
?????????? } finally {
???????????????? lock.unlock();
?????????? }
???? }?????
}
|
ConditionTester:
public class ConditionTester {
?????
????? public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
final Basket basket = new Basket();
//
定義一個(gè)
producer
??????????? Runnable producer = new Runnable() {
????????????????? public void run() {
??????????????????????? try {
????????????????????????????? basket.produce();
??????
?????????????????} catch (InterruptedException ex) {
????????????????????????????? ex.printStackTrace();
??????????????????????? }
????????????????? }
};
//
定義一個(gè)
consumer
??????????? Runnable consumer = new Runnable() {
????????????????? public void run() {
??????????????????????? try {
????????????????????????????? basket.consume();
??????????????????????? } catch (InterruptedException ex) {
????????????????????????????? ex.printStackTrace();
??????????????????????? }
????????????????? }
};
//
各產(chǎn)生
10
個(gè)
consumer
和
producer
??????????? ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
??????????? for(int i=0; i < 10; i++)
????????????????? service.submit(consumer);
??????????? Thread.sleep(2000);
??????????? for(int i=0; i<10; i++)
????????????????? service.submit(producer);
??????????? service.shutdown();
????? }?????
}
|
5: Synchronizer:同步裝置
Java 5.0
里新加了
4
個(gè)協(xié)調(diào)線程間進(jìn)程的同步裝置,它們分別是
Semaphore, CountDownLatch, CyclicBarrier
和
Exchanger.
Semaphore:
用來(lái)管理一個(gè)資源池的工具,
Semaphore
可以看成是個(gè)通行證,線程要想從資源池拿到資源必須先拿到通行證,
Semaphore
提供的通行證數(shù)量和資源池的大小一致。如果線程暫時(shí)拿不到通行證,線程就會(huì)被阻斷進(jìn)入等待狀態(tài)。以下是一個(gè)例子:
public class Pool {
???
??ArrayList<String> pool = null;
????? Semaphore pass = null;
????? public Pool(int size){
???????????
//
初始化資源池
??????????? pool = new ArrayList<String>();
??????????? for(int i=0; i<size; i++){
????????????????? pool.add("Resource "+i);
??????????? }
???
????????
//Semaphore
的大小和資源池的大小一致
??????????? pass = new Semaphore(size);
????? }
????? public String get() throws InterruptedException{
??????????? //
獲取通行證
,
只有得到通行證后才能得到資源
??????????? pass.acquire();
??????????? return getResource();
????? }
????? public void put(String resource){
??????????? //
歸還通行證,并歸還資源
??????????? pass.release();
??????????? releaseResource(resource);
????? }
???? private synchronized String getResource() {
??????????? String result = pool.get(0);
??????????? pool.remove(0);
??????????? System.out.println("Give out "+result);
??????????? return result;
????? }
????? private synchronized void releaseResource(String resource) {
??????????? System.out.println("return "+resource);
??????????? pool.add(resource);
????? }
}
|
SemaphoreTest:
public class SemaphoreTest {
????? public static void main(String[] args){
??????????? final Pool aPool = new Pool(2);
??????????? Runnable worker = new Runnable() {
????????????????? public void run() {
??????????????????????? String resource = null;
???????
????????????????try {
????????????????????????????? //
取得
resource
????????????????????????????? resource = aPool.get();
??????????????????????? } catch (InterruptedException ex) {
????????????????????????????? ex.printStackTrace();
??????????????????????? }
??????????????????????? //
用
resource
做工作
??????????????????????? System.out.println("I worked on "+resource);
??????????????????????? //
歸還
resource
??????????????????????? aPool.put(resource);
????????????????? }
??????????? };
??????????? ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
??????????? for(int i=0; i<20; i++){
????????????????? service.submit(worker);
??????????? }
??????????? service.shutdown();
????? }????
}
|
CountDownLatch:
CountDownLatch
是個(gè)計(jì)數(shù)器,它有一個(gè)初始數(shù),等待這個(gè)計(jì)數(shù)器的線程必須等到計(jì)數(shù)器倒數(shù)到零時(shí)才可繼續(xù)。比如說(shuō)一個(gè)
Server
啟動(dòng)時(shí)需要初始化
4
個(gè)部件,
Server
可以同時(shí)啟動(dòng)
4
個(gè)線程去初始化這
4
個(gè)部件,然后調(diào)用
CountDownLatch(4).await()
阻斷進(jìn)入等待,每個(gè)線程完成任務(wù)后會(huì)調(diào)用一次
CountDownLatch.countDown()
來(lái)倒計(jì)數(shù)
,
當(dāng)
4
個(gè)線程都結(jié)束時(shí)
CountDownLatch
的計(jì)數(shù)就會(huì)降低為
0
,此時(shí)
Server
就會(huì)被喚醒繼續(xù)下一步操作。
CountDownLatch
的方法主要有:
-
await()
:使調(diào)用此方法的線程阻斷進(jìn)入等待
-
countDown():
倒計(jì)數(shù),將計(jì)數(shù)值減
1
-
getCount():
得到當(dāng)前的計(jì)數(shù)值
CountDownLatch
的例子:一個(gè)
server
調(diào)了三個(gè)
ComponentThread
分別去啟動(dòng)三個(gè)組件,然后
server
等到組件都啟動(dòng)了再繼續(xù)。
public class Server {
????? public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
??????????? System.out.println("Server is starting.");
??????????
?//
初始化一個(gè)初始值為
3
的
CountDownLatch
??????????? CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
??????????? //
起
3
個(gè)線程分別去啟動(dòng)
3
個(gè)組件
??????????? ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
??????????? service.submit(new ComponentThread(latch, 1));
?????????
??service.submit(new ComponentThread(latch, 2));
??????????? service.submit(new ComponentThread(latch, 3));
??????????? service.shutdown();
??????????? //
進(jìn)入等待狀態(tài)
??????????? latch.await();
??????????? //
當(dāng)所需的三個(gè)組件都完成時(shí),
Server
就可繼續(xù)了
??????????? System.out.println("Server is up!");
????? }
}
?
public class ComponentThread implements Runnable{
????? CountDownLatch latch;
????? int ID;
????? /** Creates a new instance of ComponentThread */
????? public ComponentThread(CountDownLatch latch, int ID) {
??????????? this.latch = latch;
??????????? this.ID = ID;
????? }
????? public void run() {
??????????? System.out.println("Component "+ID + " initialized!");
??????????? //
將計(jì)數(shù)減一
??????????? latch.countDown();
????? }????
}
|
運(yùn)行結(jié)果:
Server is starting.
Component 1 initialized!
Component 3 initialized!
Component 2 initialized!
Server is up!
|
CyclicBarrier:
CyclicBarrier
類(lèi)似于
CountDownLatch
也是個(gè)計(jì)數(shù)器,不同的是
CyclicBarrier
數(shù)的是調(diào)用了
CyclicBarrier.await()
進(jìn)入等待的線程數(shù),當(dāng)線程數(shù)達(dá)到了
CyclicBarrier
初始時(shí)規(guī)定的數(shù)目時(shí),所有進(jìn)入等待狀態(tài)的線程被喚醒并繼續(xù)。
CyclicBarrier
就象它名字的意思一樣,可看成是個(gè)障礙,所有的線程必須到齊后才能一起通過(guò)這個(gè)障礙。
CyclicBarrier
初始時(shí)還可帶一個(gè)
Runnable
的參數(shù),此
Runnable
任務(wù)在
CyclicBarrier
的數(shù)目達(dá)到后,所有其它線程被喚醒前被執(zhí)行。
CyclicBarrier
提供以下幾個(gè)方法:
-
await()
:進(jìn)入等待
-
getParties()
:返回此
barrier
需要的線程數(shù)
-
reset()
:將此
barrier
重置
以下是使用
CyclicBarrier
的一個(gè)例子:兩個(gè)線程分別在一個(gè)數(shù)組里放一個(gè)數(shù),當(dāng)這兩個(gè)線程都結(jié)束后,主線程算出數(shù)組里的數(shù)的和(這個(gè)例子比較無(wú)聊,我沒(méi)有想到更合適的例子)
public class MainThread {
public static void main(String[] args)
????? throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException{
??????????? final int[] array = new int[2];
??????????? CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2,
????????????????? new Runnable() {//
在所有線程都到達(dá)
Barrier
時(shí)執(zhí)行
????????????????? public void run() {
??????????????????????? System.out.println("Total is:"+(array[0]+array[1]));
????????????????? }
??????????? });???????????
??????????? //
啟動(dòng)線程
??????????? new Thread(new ComponentThread(barrier, array, 0)).start();
??????????? new Thread(new ComponentThread(barrier, array, 1)).start();???
????? }?????
}
?
public class ComponentThread implements Runnable{
????? CyclicBarrier barrier;
????? int ID;
????? int[] array;
????? public ComponentThread(CyclicBarrier barrier, int[] array, int ID) {
??????????? this.barrier = barrier;
??????????? this.ID = ID;
??????????? this.array = array;
????? }
????? public void run() {
??????????? try {
????????????????? array[ID] = new Random().nextInt();
????????????????? System.out.println(ID+ " generates:"+array[ID]);
????????????????? //
該線程完成了任務(wù)等在
Barrier
處
????????????????? barrier.await();
??????????? } catch (BrokenBarrierException ex) {
????????????????? ex.printStackTrace();
??????????? } catch (InterruptedException ex) {
????????????????? ex.printStackTrace();
??????????? }
????? }
}
|
Exchanger:
顧名思義
Exchanger
讓兩個(gè)線程可以互換信息。用一個(gè)例子來(lái)解釋比較容易。例子中服務(wù)生線程往空的杯子里倒水,顧客線程從裝滿水的杯子里喝水,然后通過(guò)
Exchanger
雙方互換杯子,服務(wù)生接著往空杯子里倒水,顧客接著喝水,然后交換,如此周而復(fù)始。
class FillAndEmpty {
????? //
初始化一個(gè)
Exchanger
,并規(guī)定可交換的信息類(lèi)型是
DataCup
????? Exchanger<Cup> exchanger = new Exchanger();
????
?Cup initialEmptyCup = ...; //
初始化一個(gè)空的杯子
????? Cup initialFullCup = ...; //
初始化一個(gè)裝滿水的杯子
????? //
服務(wù)生線程
????? class Waiter implements Runnable {
??????????? public void run() {
????????????????? Cup currentCup = initialEmptyCup;
????????????????? try {
??????
?????????????????//
往空的杯子里加水
??????????????????????? currentCup.addWater();
??????????????????????? //
杯子滿后和顧客的空杯子交換
??????????????????????? currentCup = exchanger.exchange(currentCup);
????????????????? } catch (InterruptedException ex) { ... handle ... }
?
?????????? }
????? }
????? //
顧客線程
????? class Customer implements Runnable {
??????????? public void run() {
????????????????? DataCup currentCup = initialFullCup;
????????????????? try {
??????????????????????? //
把杯子里的水喝掉
??????????????????????? currentCup.drinkFromCup();
??????????????????????? //
將空杯子和服務(wù)生的滿杯子交換
??????????????????????? currentCup = exchanger.exchange(currentCup);
????????????????? } catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
??????????? }
????? }
?????
????? void start() {
???????
????new Thread(new Waiter()).start();
??????????? new Thread(new Customer()).start();
????? }
}
|
6: BlockingQueue接口
BlockingQueue
是一種特殊的
Queue
,若
BlockingQueue
是空的,從
BlockingQueue
取東西的操作將會(huì)被阻斷進(jìn)入等待狀態(tài)直到
BlocingkQueue
進(jìn)了新貨才會(huì)被喚醒。同樣,如果
BlockingQueue
是滿的任何試圖往里存東西的操作也會(huì)被阻斷進(jìn)入等待狀態(tài),直到
BlockingQueue
里有新的空間才會(huì)被喚醒繼續(xù)操作。
BlockingQueue
提供的方法主要有:
-
add(anObject):
把
anObject
加到
BlockingQueue
里,如果
BlockingQueue
可以容納返回
true
,否則拋出
IllegalStateException
異常。
-
offer(anObject)
:把
anObject
加到
BlockingQueue
里,如果
BlockingQueue
可以容納返回
true
,否則返回
false
。
-
put(anObject)
:把
anObject
加到
BlockingQueue
里,如果
BlockingQueue
沒(méi)有空間,調(diào)用此方法的線程被阻斷直到
BlockingQueue
里有新的空間再繼續(xù)。
-
poll(time)
:取出
BlockingQueue
里排在首位的對(duì)象,若不能立即取出可等
time
參數(shù)規(guī)定的時(shí)間。取不到時(shí)返回
null
。
-
take()
:取出
BlockingQueue
里排在首位的對(duì)象,若
BlockingQueue
為空,阻斷進(jìn)入等待狀態(tài)直到
BlockingQueue
有新的對(duì)象被加入為止。
根據(jù)不同的需要
BlockingQueue
有
4
種具體實(shí)現(xiàn):
-
ArrayBlockingQueue
:規(guī)定大小的
BlockingQueue
,其構(gòu)造函數(shù)必須帶一個(gè)
int
參數(shù)來(lái)指明其大小。其所含的對(duì)象是以
FIFO
(先入先出)順序排序的。
-
LinkedBlockingQueue
:大小不定的
BlockingQueue
,若其構(gòu)造函數(shù)帶一個(gè)規(guī)定大小的參數(shù),生成的
BlockingQueue
有大小限制,若不帶大小參數(shù),所生成的
BlockingQueue
的大小由
Integer.MAX_VALUE
來(lái)決定。其所含的對(duì)象是以
FIFO
(先入先出)順序排序的。
LinkedBlockingQueue
和
ArrayBlockingQueue
比較起來(lái),它們背后所用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一樣,導(dǎo)致
LinkedBlockingQueue
的數(shù)據(jù)吞吐量要大于
ArrayBlockingQueue
,但在線程數(shù)量很大時(shí)其性能的可預(yù)見(jiàn)性低于
ArrayBlockingQueue
。
-
PriorityBlockingQueue
:類(lèi)似于
LinkedBlockingQueue
,但其所含對(duì)象的排序不是
FIFO
,而是依據(jù)對(duì)象的自然排序順序或者是構(gòu)造函數(shù)所帶的
Comparator
決定的順序。
-
SynchronousQueue
:特殊的
BlockingQueue
,對(duì)其的操作必須是放和取交替完成的。
下面是用
BlockingQueue
來(lái)實(shí)現(xiàn)
Producer
和
Consumer
的例子:
public class BlockingQueueTest {
????? static BlockingQueue<String> basket;
????? public BlockingQueueTest() {
??????????? //
定義了一個(gè)大小為
2
的
BlockingQueue
,也可根據(jù)需要用其他的具體類(lèi)
??????????? basket = new ArrayBlockingQueue<String>(2);
????? }
????? class Producor implements Runnable {
??????????? public void run() {
????????????????? while(true){
??????????????????????? try {
????????????????????????????? //
放入一個(gè)對(duì)象,若
basket
滿了,等到
basket
有位置
??????????????????????
???????basket.put("An apple");
??????????????????????? } catch (InterruptedException ex) {
????????????????????????????? ex.printStackTrace();
??????????????????????? }
????????????????? }
??????????? }
????? }
????? class Consumer implements Runnable {
?
??????????public void run() {
????????????????? while(true){
??????????????????????? try {
????????????????????????????? //
取出一個(gè)對(duì)象,若
basket
為空,等到
basket
有東西為止
????????????????????????????? String result = basket.take();
??????????????????????? } catch (InterruptedException ex) {
????????????????????????????? ex.printStackTrace();
??????????????????????? }
????????????????? }
?????
??????}???????????
????? }
????? public void execute(){
??????????? for(int i=0; i<10; i++){
????????????????? new Thread(new Producor()).start();
????????????????? new Thread(new Consumer()).start();
??????????? }???????????
????? }
????? public static void main(String[] args){
??????????? BlockingQueueTest test = new BlockingQueueTest();
??????????? test.execute();
????? }?????
}
|
7:Atomics 原子級(jí)變量
原子量級(jí)的變量,主要的類(lèi)有
AtomicBoolean, AtomicInteger, AotmicIntegerArray, AtomicLong, AtomicLongArray, AtomicReference ……
。這些原子量級(jí)的變量主要提供兩個(gè)方法:
-
compareAndSet(expectedValue, newValue):
比較當(dāng)前的值是否等于
expectedValue
,
若等于把當(dāng)前值改成
newValue
,并返回
true
。若不等,返回
false
。
-
getAndSet(newValue):
把當(dāng)前值改為
newValue
,并返回改變前的值。
這些原子級(jí)變量利用了現(xiàn)代處理器(
CPU
)的硬件支持可把兩步操作合為一步的功能,避免了不必要的鎖定,提高了程序的運(yùn)行效率。
8:Concurrent Collections 共點(diǎn)聚集
在
Java
的聚集框架里可以調(diào)用
Collections.synchronizeCollection(aCollection)
將普通聚集改變成同步聚集,使之可用于多線程的環(huán)境下。
但同步聚集在一個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)線程訪問(wèn)它,其它想同時(shí)訪問(wèn)它的線程會(huì)被阻斷,導(dǎo)致程序運(yùn)行效率不高。
Java 5.0
里提供了幾個(gè)共點(diǎn)聚集類(lèi),它們把以前需要幾步才能完成的操作合成一個(gè)原子量級(jí)的操作,這樣就可讓多個(gè)線程同時(shí)對(duì)聚集進(jìn)行操作,避免了鎖定,從而提高了程序的運(yùn)行效率。
Java 5.0
目前提供的共點(diǎn)聚集類(lèi)有:
ConcurrentHashMap, ConcurrentLinkedQueue, CopyOnWriteArrayList
和
CopyOnWriteArraySet.
?