线程基础：JDK1.5+——线程新特性（上）

Posted 2020-06-13 说好不能打脸

1、概要

如果您阅读JAVA的源代码，出现最多的代码作者包括：Doug Lea、Mark Reinhold、Josh Bloch、Arthur van Hoff、Neal Gafter、Pavani Diwanji等等。其中java.util.concurrent包中出现的基本都是Doug Lea的名字。Doug Lea，是对Java影响力最大的个人，直接贡献的设计包括java的Collections和util.concurrent。

JDK1.5中一个重要特性就是util.concurrent包和其子包（当让JDK1.5中的特性还包括了很多，例如泛型、解包/封包等，但这些不属于我们这个专题讨论的范围）。在这个系列的专题中，我们已经对util.concurrent包中的一些主要功能做了介绍，例如：BlockingQueue、ThreadPoolExecutor、Executors等。这篇文章中，我们对这个包中其他中要的线程特性进行介绍。

2、带返回值的Callable

在之前的文章中，我们提到JAVA线程相关的Runnable接口中的run()方法没有提供返回值，如下：

......
public void run() {
    ......
}
......

如果您需要在线程A执行完成，得到返回值后，再继续执行某个业务。那么推荐您使用JDK1.5中提供的带有“执行返回值”的线程定义接口：Callable。

如果您还需要为多个线程的执行调度加入更复杂的控制逻辑，那么您需要我们之前讨论过的同步机制和JDK1.5中java.util.concurrent.locks包中的工具配合使用，才能达到效果。

JDK1.5的java.util.concurrent包中提供了一个Callable接口和一组相关机制，能够帮助程序员安全、快速、简洁的完成以上的功能（线程执行完成后，返回一个执行结果）。Callable接口中需要实现的接口方法为call()，这个方法有一个泛化的返回值 V，可以帮助您返回定义的任何一种对象结果。接口源代码如下：

public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

下面我们通过一段简单的代码，看一下Callable接口是如何完成执行结果的返回和激活等待线程的：

package test.thread.base.callfurther;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 测试可监控状态的线程
 * @author yinwenjie
 * @param <V>
 */
public class MyCallableThread<V extends Entity> implements Callable<V> {

    private V resultsEntity;

    public MyCallableThread(V param) {
        this.resultsEntity = param;
    }

    /* (non-Javadoc)
     * @see java.util.concurrent.Callable#call()
     */
    @Override
    public V call() throws Exception {
        try {
            // 等待一段时间，模拟业务执行过程
            synchronized (this) {
                this.wait(5000);
            }
            // 设置返回结果
            this.resultsEntity.setStatus(1);
        } catch(Exception e) {
            // 执行错误了，也设置
            this.resultsEntity.setStatus(-1);
        }

        return this.resultsEntity;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //这是您定义的一个模型对象。里面有一个status属性
        MyCallableThread<Entity> callableThread = new MyCallableThread<Entity>(new Entity());

        // Callable需要在线程池中执行
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(1);
        Future<Entity> future = es.submit(callableThread);

        // main线程会在这里等待，知道callableThread任务执行完成
        Entity result = future.get();
        System.out.println("result.status = " + result.getStatus());
        // 停止线程池工作
        es.shutdown();
        es.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.DAYS);
    }
}

从以上给出的使用代码，包括以下几个实际动作：

• Entity这个class，是为了记录线程执行的返回结果由我们自行定义的一个Class。实际上，对于MyCallableThread来说，只要继承了Entity的所有子类，都是可以作为它的泛化值的。

• 目前Callable定义的线程任务，只能放入线程池中，由线程池中的任务进行执行。没有类似于Runnable接口那样，new Thread(new MyDefindRunnable())并且start()的线程运行方式。

  • 如果您不想使用线程池管理任务的执行，又不能直接将Callable接口的任务放入Thread，那么您只能借助一个工具类：FutureTask。使用方式如下：

FutureTask<Entity> futureTask = new FutureTask<Entity>(callableThread);
new Thread(futureTask).start();

• Future用于描述当前任务线程的执行状态。您可以使用isDone、isCancelled等方法，来获取当前任务线程的执行状态。

• Future接口中的get方法，将会是当前线程进入阻塞状态。直到目标线程执行完毕，并且得到目标线程的返回结果。

Waits if necessary for the computation to complete, and then retrieves its result.

Returns: the computed result
Throws:
CancellationException - if the computation was cancelled
ExecutionException - if the computation threw an exception
InterruptedException - if the current thread was interrupted while waiting

3、JDK新特性锁：java.util.concurrent.locks包

java.util.concurrent有一个locks子包，这个子包提供了一种JDK1.5版本中设计的一种新的锁机制。其中重要的包括两种类型的锁：ReentrantLock通用锁和ReentrantReadWriteLock读写锁。这个小结我们主要介绍这两种新得锁形态的使用。

3-1、Lock->ReentrantLock通用锁

在JDK1.5版本中，Doug Lea加入了两种新的对象锁方式，ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock。在之前的版本中，如果我们要为某个线程中操作的对象加锁，写法如下：

......
synchronized (ThreadLock.WAIT_OBJECT) {
    ThreadLock.LOGGER.info("做了一些事情。。。。");
}
......

这个需要加锁的对象进行同步检查，同步边界内的代码只允许某一条线程A进入，除非线程A退出了同步边界或者通过wait等方法进入了阻塞状态，这段代码才允许其他线程访问。

在使用synchronized关键字的时候，您还需要特别关注interrupt异常。实际上这是因为JVM不允许停止“正在等待同步锁”的线程（这是更深入的知识点了）。

那么如果您使用ReentrantLock为多个线程在共享资源的线程块进行阻塞控制，就要比使用synchronized关键字简单许多（至少从表面现象来看是这样的），而且您不需要特别关注interrupt异常（至少从表面现象来看是这样的）。

还记得我们在《线程基础：线程（2）——JAVA中的基本线程操作（上） 》这篇文章中，给出的一段在多线程情况下使用对象锁的最简单代码吗？没事，不用特意去翻这篇文章，这里我们再给出一次就行了（为了节约篇幅，只给重要的代码片段）：

......
/**
 * 拿来加锁的对象
 */
private static final Object WAIT_OBJECT = new Object();
......

Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 检查'对象锁'状态。
        synchronized (ThreadLock.WAIT_OBJECT) {
            ThreadLock.LOGGER.info("做了一些事情。。。。");
        }
    }
});

Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 检查'对象锁'状态。
        synchronized (ThreadLock.WAIT_OBJECT) {
            ThreadLock.LOGGER.info("做了另一些事情。。。。");
        }
    }
});
threadA.start();
threadB.start();
......

现在我们使用ReentrantLock方式，对之前这段代码进行更改：

......
public void test() {
    final ReentrantLock objectLock = new ReentrantLock();

    new Thread() {
        public void run() {
            objectLock.lock();
            TestReentrantLock.LOG.info("做了一些事情。。。。");
            objectLock.unlock();
        }
    }.start();

    new Thread() {
        public void run() {
            objectLock.lock();
            TestReentrantLock.LOG.info("做了另一些事情。。。。");
            objectLock.unlock();
        }
    }.start();
}
......

很显然，下面使用ReentrantLock方式改写后的代码是不是好理解多了。实际上最直观的理解就是将synchronized关键字的边界换成了 lock和unlock方法（但事实上并非如此）。至少线程您不需要关心interrupt异常了。

3-2、ReadWriteLock->ReentrantReadWriteLock读写锁

在java.util.concurrent.locks包中，还提供了一个ReentrantReadWriteLock工具。很显然，根据这个类的名字就明白了它的含义，即将多个线程对指定对象的读操作和写操作分开加锁。

我们可以使用以下代码，来获取对象的写锁

WriteLock writeLock = objectLock.writeLock();

使用以下代码，来获取对象的读锁：

ReadLock readLock = objectLock.readLock();

那么对象的写锁和读锁是怎么互相影响的呢？这个需要分开进行描述，首先我们来讨论一下，什么情况下线程可以获取某个对象的读锁：

• 如果没有任何线程获取了对象的写锁。
• 虽然有线程获取了对象的写锁，但是这个线程就是当前请求读锁的线程

那么当前是否有线程获取了对象的读锁，并不会影响当前线程继续获取对象的读锁。什么情况下线程可以获取某个对象的写锁：

• 没有任何线程获取了这个对象的读锁
• 没有任何线程获取了这个对象的写锁

注意，这里没有“虽然”的说法。也就是说，在同一个线程中的以下这种写法将会导致死锁：

......
ReadLock readLock = objectLock.readLock();
readLock.lock();
WriteLock writeLock = objectLock.writeLock();
// 线程操作会被一直阻塞在这里
writeLock.lock();
......

但是，同一个线程中的以下这种写法，就没有问题：

......
WriteLock writeLock = objectLock.writeLock();
writeLock.lock();
ReadLock readLock = objectLock.readLock();
readLock.lock();
......

以下是所有示例代码：

package test.thread.reentrant;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock.ReadLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock.WriteLock;

import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;
import org.apache.log4j.BasicConfigurator;

public class TestReadWriteReentrantLock {

    static {
        BasicConfigurator.configure();
    }

    /**
     * 日志
     */
    private static final Log LOG = LogFactory.getLog(TestReadWriteReentrantLock.class);

    public static void main(String[] args) throws RuntimeException {
        new TestReadWriteReentrantLock().test();
    }

    public void test() {
        final ReentrantReadWriteLock objectLock = new ReentrantReadWriteLock();

        Thread thread1 = new Thread() {
            public void run() {
                WriteLock writeLock = objectLock.writeLock();
                writeLock.lock();
                TestReadWriteReentrantLock.LOG.info("做了一些写操作的事情。。。。");
                writeLock.unlock();
            }
        };


        Thread thread2 = new Thread() {
            public void run() {
                WriteLock writeLock = objectLock.writeLock();
                writeLock.lock();
                TestReadWriteReentrantLock.LOG.info("做了另一些写操作的事情。。。。");
                writeLock.unlock();
            }
        };

        Thread thread3 = new Thread() {
            public void run() {
                ReadLock readLock = objectLock.readLock();
                readLock.lock();
                TestReadWriteReentrantLock.LOG.info("做了一些读操作的事情。。。。");
                readLock.unlock();
            }
        };

        //thread1、thread2、thread3在运行过程中，将按照我们之前描述的规律，相互作用
        thread1.start();
        thread2.start();
        // 您可以使用thread1.interrupt()指令对ReentrantLock的影像。
        // 您可以发现，thread1在加锁后并不会抛出interruptException异常
        // 至少在我们这种使用方式下，不会抛出异常
        // thread1.interrupt();
        thread3.start();
    }
}

这里要重点说明一下，在大多数情况下您使用sycnchronized关键字或者使用ReentrantLock方式，都没有问题（这是因为90%的情况下，sycnchronized并不会真正的阻塞）。完全没有必要为了使用性能更好的ReentrantLock方式，而改变您历史代码版本中的sycnchronized关键字。

后续如果有时间，我将和大家讨论sycnchronized方式和ReentrantLock方式在工作原理上的不同。但是由于我在这个专栏上耗费了太多时间，所以只有暂缓。如果您想马上深入理解他们的工作原理，这里我推荐一篇文章：（http://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp10264/）

下文中，我们将以一个“赛跑”的例子，讲解JDK1.5环境下一些线程控制工具（包括Semaphore、CountDownLatch和java.util.concurrent.atomic子包）。并且复习这个专题讲到的知识点：同步快、锁、线程池、BlockingQueue、Callable等。当然还有线程间数据传递的方式。

（接下文）