Java编程思想-并发

Posted 2022-12-10 vanpersie_9987

新类库中的构件

JDK1.5引入了java.util.concurrent包，它提供了大量的新类，用于安全而高效地解决并发问题。下面将通过例子一一介绍。

CountDownLatch-倒数计数器

CountDownLatch被称为倒数计步器，它是Java内置的同步器的一种（还有信号量、CyclicBarrier等同步器，后续将作介绍）。它的功能是阻塞一个或多个线程，这些阻塞的线程需要等待其他线程中的某一个或几个条件成立，一旦成立，这些阻塞的线程将并发执行。比如，有若干运动员等待着（若干线程阻塞）发令枪响起（使解除线程阻塞的条件成立），一旦枪声响起，运动员将开始起跑（解除阻塞），这里发令枪是条件，若干运动员是等待条件成立的线程。而当所有运动员冲过终点线时，或者说最后一个运动员冲过终点线时，计时器停止计时，在这里，所有的运动员又成了条件，而计时器成了达成条件的结果——当计时器在等待着最后一名运动员冲过终点线，条件达成，计时终止。

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。

方法说明：

• public void countDown()

  • 递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。如果当前计数大于零，则将计数减少。如果新的计数为零，出于线程调度目的，将重新启用所有的等待线程。如果当前计数等于零，则不发生任何操作。

• public boolean await(long timeout,
  TimeUnit unit)
  throws InterruptedException

  • 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。如果当前计数为零，则此方法立刻返回 true 值。
    如果当前计数大于零，则出于线程调度目的，将禁用当前线程，且在发生以下三种情况之一前，该线程将一直处于休眠状态：1、由于调用 countDown() 方法的次数还不够计数到达零；2、其他某个线程中断当前线程；3、已超出指定的等待时间。如果计数到达零，则该方法返回 true 值。如果当前线程：
    在进入此方法时已经设置了该线程的中断状态；或者
    在等待时被中断，
    则抛出 InterruptedException，并且清除当前线程的已中断状态。如果超出了指定的等待时间，则返回值为 false。如果该时间小于等于零，则此方法根本不会等待。

参数：
timeout - 要等待的最长时间
unit - timeout 参数的时间单位。
返回：
如果计数到达零，则返回 true；如果在计数到达零之前超过了等待时间，则返回 false

抛出：
InterruptedException - 如果当前线程在等待时被中断

public class CountDownLatchTest 

    // 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。
    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   
                        // 如果当前计数为零，则此方法立即返回。
                        // 等待
                        begin.await();  
                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));  
                        System.out.println("No." + NO + " arrived");  
                     catch (InterruptedException e)   
                     finally   
                        // 每个选手到达终点时，end就减一
                        end.countDown();
                      
                  
            ;  
            exec.submit(run);
          
        System.out.println("Game Start");  
        // begin减一，开始游戏
        begin.countDown();  
        // 等待end变为0，即所有选手到达终点
        end.await();  
        System.out.println("Game Over");  
        exec.shutdown();  
    

Game Start
No.9 arrived
No.6 arrived
No.8 arrived
No.7 arrived
No.10 arrived
No.1 arrived
No.5 arrived
No.4 arrived
No.2 arrived
No.3 arrived
Game Over

CyclicBarrier

CyclicBarrier和CountDownLatch一样，都是关于线程的计数器。

用法略有不同：并发执行一组任务，它们并行地执行工作然后再进行下一个步骤前等待， 直到所有的任务都完成。它使得所有的并行任务都将在栅栏处排队，因此可以一致地向前移动。它与CountDownLatch的最主要区别是前者可以多次重用，而后者只能触发一次。

 public class TestCyclicBarrier 
 2 
       //并发线程数
 3     private static final int THREAD_NUM = 5;
 4     
 5     public static class WorkerThread implements Runnable
 6 
 7         CyclicBarrier barrier;
 8         
 9         public WorkerThread(CyclicBarrier b)
10             this.barrier = b;
11         
12         
13         @Override
14         public void run() 
15             // TODO Auto-generated method stub
16             try
17                 System.out.println("Worker's waiting");
18                 //线程在这里等待，直到所有线程都到达barrier。
19                 barrier.await();
20                 System.out.println("ID:"+Thread.currentThread().getId()+" Working");
21             catch(Exception e)
22                 e.printStackTrace();
23             
24         
25         
26     
27     
28     /**
29      * @param args
30      */
31     public static void main(String[] args) 
32         // TODO Auto-generated method stub
33         CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(THREAD_NUM, new Runnable() 
34             //当所有线程到达barrier时执行
35             @Override
36             public void run() 
37                 // TODO Auto-generated method stub
38                 System.out.println("Inside Barrier");
39                 
40             
41         );
42         
43         for(int i=0;i<THREAD_NUM;i++)
44             new Thread(new WorkerThread(cb)).start();
45         
46     
47 
48 

//输出：
51 Worker's waiting
52 Worker's waiting
53 Worker's waiting
54 Worker's waiting
55 Worker's waiting
56 Inside Barrier
57 ID:12 Working
58 ID:8 Working
59 ID:11 Working
60 ID:9 Working
61 ID:10 Working

CyclicBarrier初始化时规定一个数目，然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。当线程数达到了这个数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。
CyclicBarrier就象它名字的意思一样，可看成是个障碍， 所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。
CyclicBarrier初始时还可带一个Runnable的参数， 此Runnable任务在CyclicBarrier的数目达到后，所有其它线程被唤醒前被执行。

DelayQueue

1、DelayQueue是一个无界的BlockingQueue，用于放置实现了Delayed接口的对象，其中的对象只能在其到期时才能从队列中取走。这种队列是有序的，即队头对象的延迟到期的时间最长。如果没有任何延迟到期，那么不会有任何元素，并且poll()将返回null。（正是因为这样，你不能将null放置到这种个队列中。）

2、Delayed

种混合风格的接口，用来标记那些应该在给定延迟时间之后执行的对象。

此接口的实现必须定义一个 compareTo 方法，该方法提供与此接口的 getDelay 方法一致的排序。

3、DelayQueue队列中保存的是实现了Delayed接口的实现类，里面必须实现getDelay()和compareTo()方法，前者用于取DelayQueue里面的元素时判断是否到了延时时间，否则不予获取，是则获取。 compareTo()方法用于进行队列内部的排序

getDelay(TimeUnit unit)

return unit.convert(time - now(),TimeUnit.NANOSECONDES);//time为设定的间隔时间

   compareTo(Object object)



if(object instanceof SchuduledTask)

SchuduledTask task = (SchuduledTask) object ;

                long l = this.time - task.time;

if(l > 0) return 1 ; //比当前的小则返回1，比当前的大则返回-1，否则为0

                else if(l < 0 ) return -1;

else return 0;

下面是一个示例，其中的Delayed对象自身就是任务，而DelayedTaskConsumer将最“紧急”
的任务（到期时间最长的任务）从队列中取出，然后运行它。这样DelayQueue就成了优先级队列的一种变体。

class DelayedTask implements Runnable, Delayed 
    private static int counter  = 0;
    private final int id = counter++;
    private final int delta;
    private final long trigger;
    protected static List<DelayedTask> sequence = new ArrayList<>();
    public DelayedTask(int delayMilliseconds) 
        delta = delayMilliseconds;
        trigger = System.nanoTime() + NANOSECONDS.convert(delta, MILLISECONDS);
        sequence.add(this);
     
    public long getDelay(TimeUnit unit) 
        return unit.convert(trigger - System.nanoTime(), NANOSECONDS);
    
    public int compareTo(Delayed arg) 
        DelayedTask that = (DelayedTask)arg;
        if(trigger < that.trigger) 
            return -1;
        
        if(trigger > that.trigger) 
            return 1;
        
        return 0;
    
    public void run() 
        system.out.print(this + " ");
    
    public String toString() 
        return String.format("[%1$-4d]", delta) + " Task " + id;
    
    public String summary() 
        return "(" + id + ":" + delta + ")";
    
    public static class EndSentinel extends EdlayedTask 
        private ExecutorService exec;
        public EndSentinel(int delay, ExecutorService e) 
            super(delay);
            exec = e;

        
        public void run() 
            for(DelayTask pt : sequence) 
                System.out.print(pt.summary() + " "); 
            
            System.out.print();
            System.out.print(this + "Calling shutdownNow()");
            exec.shutdownNow();
        
    


class DelayedTaskConsumer implements Runnable 
    private DelayQueue<DelayedTaks> q;
    public DelayedTaskConsumer(DelayQueue<DelayedTask> q) 
        this.q = q;
    
    public void run() 
        try 
            while(!Thread.interrupted()) 
                q.take().run();

             
         catch(InterruptedException e) 

        
        System.out.print("Finished DelayedTaskConsumer");
    


public class DelayQueueDemo 
    public static void main(String[] args) 
    Random random = new Random(47);
    ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
    DelayQueue<DelayTask> queue = new DelayQueue<>();
    for(int i = 0 ; i < 20; ++i) 
        queue.put(new DelayTask(random.nextInt(5000)));

        
    queue.add(new DelayedTask.EndSentinel(5000,exec));
    exec.execute(new DelayedTaskConsumer(queue)); 

    

//输出
[128 ] Task 11 [200 ] Task 7 [429 ] Task 5 [520 ] Task 18 [535 ] Task 1 [961 ] Task 4 [998 ] Task 16 [1207 ] Task 9 [1693 ] Task 2 [1809 ] Task 14 [1861 ] Task 3 [2278] Task 15 [3288 ] Task 10 [3551 ] Task 12 [4258 ] Task 0 [4258 ] Task 19 [4522 ] Task 8 [4589 ] Task 13 [4861 ] Task 17 [4868 ] Task 6
(0:4258) (1:555) (2:1693) (3:1861) (4:961) (5:429) (6:4868) (7:200) (8:4522) (9:1207) (10:3288) (11:128) (12:3551) (13:4589) (14:1809) (15:2278) (16:998) (17:4861) (18:520) (19:4258) (20:5000)
[5000] Task 20 Calling shutdownNow()
Finished DelayedTaskConsumer

DelayTask包含一个被称为sequence的List<DelayedTask>，他保存了任务创建的顺序，因此我们可以看到排序是按照实际发生的顺序执行的。

Delay接口有一个方法名为getDelay()，它可以用来告知延迟到期有多长时间，或者延迟在多长时间之前已经到期。这个方法将强制我们去使用TimeUnit类，因为这就是参数类型。这回产生一个非常方便的类，因为你可以很容易地转换单位而无需任何声明。例如，delta的值是以毫秒为单位存储的，但是Java SE5的方法System.nanoTime()产生的时间则是以纳秒为单位的。你可以转换delta的值，方法是声明它的单位以及你希望以什么单位来表示：

NANOSECONDS.convert(delta, MILLISECONDS);

在getDelay()中，希望使用的单位是作为unit参数传递进来的，你使用它将当前与处罚时间之间的差转换为调用者要求的单位，而无需知道这些单位是什么。

注意，因为DelayedTaskConsumer自身是一个任务，所以它有自己的Thread，它可以使用这个县城来运行从队列中获取的所有任务。由于任务是按照队列优先级的顺序执行的，因此在本例中不需要启动任何单独的线程来运行DelayedTask。

从输出中可以看到，任务创建的顺序没有任何影响，任务是按照所期望的延迟顺序执行的。

PriorityBlockingQueue

这是一个很基础的优先级队列，它具有可阻塞的读取操作。这面这个示例演示了PriorityBlockingQueue的用法，其中在优先级队列中的对象是按照优先级顺序从队列中出现的任务。PrioritizedTask被赋予了一个优先级数字，以此来提供这种顺序：

class PrioritizedTask implements Runnable, Comparable<PrioritizedTask> 
    private Random random = new Random(47);
    private static int counter = 0;
    private final int id = counter++;
    private final int priority;
    protected static List<PrioritizedTask> sequence = new ArrayList<>();
    public PrioritizedTask(int priority) 
        this.priority = priority;
        sequence.add(this);
    
    public int compareTo(PriorityTask arg) 
        return priority < arg.priority ? 1 : (priority > arg.priority ? -1 : 0);
    
    public void run() 
        try 
            TimeUnit.MILLISECOND.sleep(rand.nextInt(250));
         catch(InterruptedException e) 


        
        System.out.print(this);
    
    public String toString() 
        return String.format("[%1$-3d]", priority) + " Task " + id;
    
    public String summary() 
        return "(" + id + ":" + priority + ")";
    
    public static class EndSentinel extends PrioritizedTask 
        private ExecutorService exec;
        public EndSentinel(ExecutorService e) 
            super(-1);
            exec = e;
        
        public void run() 
            int count = 0;
            for(PrioritizedTask pt : sequence) 
                System.out.print(pt.summary());
                if(++count % 5 == 0) 
                    System.out.print();
                 
                System.out.print();
                System.out.print(this + " Calling shutdownNow()");
                exec.shutdownNow();
             
        
    



public PriorityTaskProducer implements Runnable 
    private Random random = new Random(47);
    private Queue<Runnable> queue;
    private ExecutorService exec;
    public PriorityTaskProducer(Queue<Runnable> q, ExecutorService e) 
        this.queue = q;
        this.exec = e;
        

    public void run() 
        for(int i = 0; i < 20; ++i) 
            queue.add(new PrioritizedTask(random.nextInt(10)));
            Thread.yield();
        
        try 
            for(int i = 0; i < 10; ++i) 
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(250);
                queue.add(new PriorityTask(10));
            

            for(int i = 0; i < 10; ++i) 
                queue.add(new PriorityTask(i));
            
            queue.add(new PrioritizedTask.EndSentinel(exec));
         catch(InterruptedException e) 


        
        System.out.print("Finished PrioritizedTaskProducer");
    


class PrioritizedTaskConsumer implements Runnable 
    private PriorityBlockingQueue<Runnable> q;
    public PrioritizedTaskConsumer(PriorityBlockingQueue<Runnable> q) 
    this.q = q;
    
    public void run() 
        try 
            while(!Thread.interrupted()) 
                q.take().run();
            
         catch(InterruptedException e) 
        
        System.out.print("Finished PrioritizedTaskConsumer");
    



public class PriorityBlockingQueueDemo 
    public static void main(String[] args) 
        Random random = new Random(47);
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        PriorityBlockingQueue<Runnable> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
        exec.execute(new PrioritizedTaskProducer(queue, exec));
        exec.execute(new PrioritizedTaskConsumer(queue));
    

这与前一个示例相同，PrioritizedTask对象的创建序列被记录在sequence List中，用于和实际的执行顺序比较。run()方法将休眠一小段时间，然后打印对象。

在这里，不需要任何显式同步——不必考虑当你从这种队列中读取时，其中是否有元素，因为这个队列在没有元素时，将直接阻塞读取者。

Semaphore-信号量

正常的锁（如synchronized或Lock）在任何时刻都只允许一个任务访问同一项资源，而Semaphore（计数信号量）允许n个任务同时访问这个资源。你还可以将信号量看作是在向外分发使用资源的“许可证”，尽管实际上没有任何许可证对象。

下面演示了信号量的使用。并用到了一个概念——对象池，它管理这个数量有限的对象，当要使用对象时可以签出它们，而在用户使用完毕时，可以将它们签回。这种功能被封装在一个泛型类中：

public class Pool<T> 
    private int size;
    private List<T> items = new ArrayList<T>();
    private volatile boolean[] checkOut;
    private Semapore available;
    public Pool(Class<T> classObject, int size) 
        this.size = size;
        this.checkOut = new boolean[size];
        this.available = new Semaphore(size, true);
        for(int i = 0; i < size; ++i) 
            try 
                items.add(classObject.newInstance());
             catch(Exception e) 
                throw new RuntimeExecption(e);

            

        

    
    public T checkOut() throws InterruptedException 
        available.acquire();
        return getItem();
    
    public void checkIn(T x) 
        if(releaseItem(x)) 
            available.release();
        
    
    private synchronized T getItem() 
        for(int i = 0; i < size; ++i) 
            if(!checkOut[i]) 
                checkOut[i] = true;
                return items.get(i);
            
            return null;
        
    
    private synchronized boolean releaseItem(T item) 
        int index = items.indexOf(item);
        if(index == -1) 
            return false;
        
        if(checkOut[index]) 
            checkOut[index] = false;
            return true;
        
        return false;
    

在Pool中，构造方法使用newInstance把对象加载到池中，如果需要一个新的对象，可以调用checkOut()，并在使用完后，嫁给checkIn()。

在checkOut()中，如果没有任何信号量许可证可用——在池中没有更多的对象了，available将阻塞调用过程。在checkIn()中，如果被签入的对象有效，则会向信号量返回一个许可证。

下面使用Fat对象作为示例——Fat类的构造器执行起来很耗时：

public class Fat 
    private volatile double d;
    private static int counter = 0;
    private final int id = counter++;
    public Fat() 
        for(int i = 0;i < 10000; ++i) 
            d += (Math.PI + Math.E) / (double)i;
        
    
    public void operation() 
        System.out.println(this);
    
    public String toString() 
        return "Fat id: " + id;
    

我们可以使用Pool在管理这个创建耗时的Fat对象，该任务将签出Fat对象，持有一段时间之后再将它们签入，以此来测试Pool这个类：

class CheckoutTask<T> implements Runnable 
    private static int counter = 0;
    private final int id = counter++;
    private Pool<T> pool;
    public CheckoutTask(Pool<T> pool) 
        this.pool = pool;
     
    public void run() 
        T item = pool.checkOut();
        System.out.print(this + "checked out " + item);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.print(this + "checking in " + item);
        pool.checkIn(item);

     catch(InterruptedException e) 

    
    public String toString() 
        return "CheckoutTask " + id + " "; 
    



public class SemaphoreDemo 
    final static int SIZE = 25;
    public static void main(String[] args) 
        final Pool<Fat> pool = new Pool<Fat>(Fat.class, SIZE);
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        for(int i = 0;i < SIZE; ++i) 
            exec.execute(new CheckoutTask<Fat>(pool));
        
        System.out.print("All CheckoutTasks created");
        List<Fat> list = new ArrayList<>();
        for(int i = 0;i < SIZE; ++i) 
            Fat f = pool.checkOut();
            System.out.print(i + ": main() thread checked out ");
            f.operation();
            list.add(f);
        
        Future<?> bolcked = exec.submit(new Runnable() 
            public void run() 
                try 
                    pool.checkOut();

                 catch(InterruptedException e) 
                    System.out.print("checkOut() Interrupted");
                

            
        );
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        blocked.cancel(true);
        System.out.print("Checking in objects in " + list);
        for(Fat f : list) 
            pool.checkIn(f);
        
        for(Fat f : list) 
            pool.checkIn(f);
        
        exec.shutdown();
    

这个示例依赖于Pool客户端严格地并愿意签入所持有的的对象， 当其工作时，这是最简单的解决方案。