Java并发编程基础

Posted 2021-06-30 lypzz.com

并发与并行

并发与并行的区别？

并发：同时完成多个任务，无需等待当前任务完成即可执行其它任务。例如解决IO密集型任务。

并行：同时在多个CPU中执行多个任务，将任务分为多个部分，在多个CPU中执行多个子任务。用于解决CPU密集型任务。

总之，并发(并行)是为了减少等待(阻塞)时间的技术

举个例子来说明单线程，并发，并行的区别：

小明正在听歌，她妈妈让他做作业，这时，小明...

• 先把歌听完了，再开始写作业，小明就是单线程的
• 暂停歌曲播放，开始写作业，1分钟后停止写作业，开始播放音乐，如此反复，小明就是并发的
• 一边听歌，一边写作业，小明就是并行的

什么时候应该使用并发？

• 永远不要使用并发
• 除非程序运行的慢到无法忍受的地步
• 除非没有条件更换具有更好性能的机器的时候
• 除非没有更好的数据结构和算法的时候
• 再考虑使用并发
• 不要自己实现，优先考虑使用成熟的并发库
• 但是，你无法避免并发，必须理解它

多线程机制

CPU时间分片机制，CPU将轮流给每个任务分配其占用的时间。这个过程由线程调度器自动控制。

Java并发编程的实现

Runnable接口

定义Runnable接口的实现类，作为子线程的任务

class ARunnable implements Runnable
{
    @Override
    public void run()
    {
        // TODO
    }
}

创建Thread实例，传入任务

Thread t=new Thread(new ARunnable());
t.start();

可以使用匿名内部类或者lambda表达式进行简化

new Thread(()->{
    // TODO
}).start();

Thread类

定义Thread的派生类，重写其run方法

Thread本身就实现了Runnable接口，所以其run方法实际上是Runnable接口中的

class AThread extends Thread
{
    @Override
    public void run()
    {
        // TODO
    }
}

创建Thread实例，启动线程

Thread t = new AThread();
t.start();

与Runnable一样，也可以进行简写

new Thread(()->{
    // TODO
}).start();

Callable接口

使用Runnable定义任务时，执行完毕后不能返回任何值。如果需要在任务中返回值，可以使用Callable接口。

定义Callable接口的实现类，重写call()方法

class ACallable implements Callable<String>
{
    @Override
    public String call()
    {
        return "over";
    }
}

使用执行器Executor的submit()方法执行任务

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
ACallable task = new ACallable();
Future<String> future = executor.submit(task);

返回Future类型的对象，使用阻塞的get()方法获取返回值

try
{
    System.out.println(future.get());
}
catch(InterruptedException | ExecutionException e)
{
    e.printStackTrace();
}
executor.shutdown();

Fork-Join框架

Java SE7中添加了fork-join框架，专门处理可以分解为子任务的情况，如下所示

if(任务规模小于规定的值)
{
    直接处理
}
else
{
    分解为子任务；
    递归处理每一个子任务；
    合并结果；
}

使用步骤:

• 定义任务

  如果任务有返回值，扩展RecursiveTask；如果任务没有返回值，扩展RecursiveAction。它们都是ForkJoinTask的抽象子类，重写compute()方法

• 创建ForkJoinPool对象

• 调用invoke()方法执行任务

• 调用join()方法获取结果

示例：统计随机生成的double数组中，值大于0.5的数字个数

class Counter extends RecursiveTask<Integer>
{
    private static final int THRESHOLD=10000;
    private double[] nums;
    private int from;
    private int to;

    public Counter(double[] nums,int from,int to)
    {
        this.nums=nums;
        this.from=from;
        this.to=to;
    }

    @Override
    protected Integer compute()
    {
        if(to-from<THRESHOLD) // 直接运行
        {
            int count=0;
            for(int i = from;i < to;i++)
            {
                if(nums[i]>0.5)
                {
                    count++;
                }
            }
            return count;
        }
        else
        {
            //分解为子任务
            int mid=(from+to)/2;
            Counter first = new Counter(nums,from,mid);
            Counter second = new Counter(nums,mid,to);
            //递归执行子任务
            invokeAll(first,second);
            //合并结果
            return first.join()+ second.join();
        }
    }
}

ForkJoinPool pool=new ForkJoinPool();
Counter counter=new Counter(nums,0,nums.length);
pool.invoke(counter);
int count = counter.join();

Java线程生命周期与管理

线程休眠

静态的sleep()方法会抛出中断异常，必须在子线程中捕获处理，因为异常不能跨线程抛出

try
{
    //Thread.sleep(1000L);
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000L);
}
catch(InterruptedException e)
{
    e.printStackTrace();
}

线程优先级

线程的优先级表示该线程的重要性，调度器倾向于让优先级更高的线程优先执行。然而，这种行为是不确定的。因此，不要依赖于优先级进行任何假设。

Java中线程优先级从低到高分为10个等级(1-10),默认为5

• void setPriority(int newPriority)
• int getPriority()

线程让步

静态的yield()方法给线程调度器一个暗示，表示当前任务完成的差不多了，可以让具有相同优先级的其它线程优先执行。
但是，线程调度器并不保证按照暗示执行，所以，不要依赖于yield()进行任何假设。

• void yield()

后台线程

后台线程也称守护线程，用于在程序运行的过程中，在后台提供通用的服务。
当所有非后台线程结束时，程序也就终止了，同时自动杀死所有的后台线程。main线程不是后台线程。

• void setDaemon(boolean on)
• boolean isDaemon()

必须在线程启动之前调用setDaemon()方法。

如果是一个后台线程，那么它创建的任何线程都被自动设置为后台线程。

后台线程会在main方法终止后“突然”关闭，即使是finally代码快中的代码也不一定会被执行。

线程的加入

在线程A中调用线程B的join()方法，线程A将被挂起，等到线程B执行完毕后，线程A再从挂起的地方继续执行。join()方法可以带上一个参数，表示挂起的时间。

• void join()
• void join(long millis)
• void join(long millis, int nanos)

join()方法内部使用wait()方法实现。

中断线程

调用interrupt()方法可以中断线程。

当在一个被阻塞的线程上调用interrupt()时，会抛出异常InterruptedException。

被中断的线程可以决定如何响应中断，是处理完异常后继续执行，还是中止执行。

静态的interrupted()或者非静态isInterrupted()方法用于检测当前线程的中断状态。调用前者会清除该线程的中断状态。如果捕获了中断异常，其中断状态总是返回false

• void interrupt()
• boolean isInterrupted()
• boolean interrupted()

线程状态(生命周期)

Java中定义了线程的6种状态,这6种状态定义在Thread内部枚举类State中

public enum State {
    NEW,
    RUNNABLE,
    BLOCKED,
    WAITING,
    TIMED_WAITING,
    TERMINATED;
}

1. 新建(NEW):当线程被new时的状态，此时它已经分配了必需的系统资源，并执行了初始化。
2. 就绪(RUNNABLE):调用start()方法后，线程准备就绪，只要调度器分配了时间片给它，就可以开始执行任务
3. 阻塞(BLOCKED):线程尝试获取锁时的状态
4. 等待(WAITING):当线程调用了非计时的wait()或join()方法后，处于等待状态
5. 计时等待(TIMED_WAITING):当先调用了sleep()或计时的wait(),join()方法后，处于计时等待状态
6. 终止(TERMINATED):线程执行完毕或者由于未捕获的异常而终止

可以使用getState()方法获取线程状态，返回枚举类型的线程状态

• State getState()