Java并发
编程问题中相当大的一部分都可以通过使用顺序编程来解决。
对于某些问题，如果能够并行地执行程序中的多个部分，则会变得非常方便。
并行编程可以使程序执行速度得到极大地提高。
当并行执行的任务彼此开始产生互相干涉时，实际的并发问题就会接踵而至。
Web服务器经常包含多个处理器，而并发是充分利用这些处理器的理想方式。
1.基本的线程机制
并发编程使我们可以将程序划分为多个分离的、独立运行的任务。
通过使用多线程机制，这些独立任务中的每一个都将由执行线程来驱动。
一个线程就是在进程中的一个单一的顺序控制流。
单个进程可以拥有多个并发执行的任务，但是你的程序使得每个任务都好像有自己的CPU一样。其底层机制是切分CPU时间，但通常你不需要考虑它。
在使用线程时，CPU将轮流给每个任务分配其占用时间，每个任务都觉得自己在一直占用CPU，但事实上CPU时间是划分成片段分配给了所有的任务。
多任务和多线程往往是使用多处理器系统的最合理方式。
1.1 定义任务
线程可以驱动任务，你需要一种描述任务的方式，这可以由Runnable接口来提供。
public class LiftOff implements Runnable {
protected int countDown = 10; // Default
private static int taskCount = 0;
private final int id = taskCount++;
public LiftOff() {}
public LiftOff(int countDown) {
this.countDown = countDown;
}
public String status() {
return "#" + id + "(" +
(countDown > 0 ? countDown : "Liftoff!") + "), ";
}
public void run() {
while(countDown-- > 0) {
System.out.print(status());
Thread.yield();
}
}
}
任务的run()方法通常总会有某种形式的循环，使得任务一直运行下去直到不再需要。
通常，run()被写成无限循环的形式，这就意味着，除非有某个条件使得run()终止，否则它将永远运行下去。
当从Runnable导出一个类时，它必须具有run()方法，但是这个方法并无特殊之处——它不会产生任何内在的线程能力。要实现线程的行为，你必须显式地将一个任务附着到线程上。
1.2 Thread类
将Runnable对象转变为工作任务的传统方式是把它提交给一个Thread构造器。
public class BasicThreads {
public static void main(String[] args) {
Thread t = new Thread(new LiftOff());
t.start();
System.out.println("Waiting for LiftOff");
}
}
调用Thread对象的start()方法为该线程执行必需的初始化操作，然后调用Runnable的run()方法，以便在这个新线程中启动任务。
你可以很容易地添加更多的线程去驱动更多的任务。
public class MoreBasicThreads {
public static void main(String[] args) {
for(int i = 0; i < 5; i++)
new Thread(new LiftOff()).start();
System.out.println("Waiting for LiftOff");
}
}
这个程序一次运行的结果可能与另一次运行的结果不同，因为线程调度机制是非确定性的。
1.3 继承Thread类
在非常简单的情况下，你可以直接继承Thread类来代替实现Runnable接口的方式。
public class SimpleThread extends Thread {
private int countDown = 5;
private static int threadCount = 0;
public SimpleThread() {
// Store the thread name:
super(Integer.toString(++threadCount));
start();
}
public String toString() {
return "#" + getName() + "(" + countDown + "), ";
}
public void run() {
while(true) {
System.out.print(this);
if(--countDown == 0)
return;
}
}
public static void main(String[] args) {
for(int i = 0; i < 5; i++)
new SimpleThread();
}
}
实现接口使得你可以继承另一个不同的类，而从Tread继承则不行。
1.4 优先级
Java线程有优先级，优先级高的线程会获得较多的运行机会。
Java线程的优先级用整数表示，取值范围是1~10，Thread类有以下三个静态常量：
public class Thread implements Runnable {
//...
/**
* The minimum priority that a thread can have.
*/
public final static int MIN_PRIORITY = 1;//线程的最低优先级
/**
* The default priority that is assigned to a thread.
*/
public final static int NORM_PRIORITY = 5;//线程的默认优先级
/**
* The maximum priority that a thread can have.
*/
public final static int MAX_PRIORITY = 10;//线程的最高优先级
//...
public final void setPriority(int newPriority) {
ThreadGroup g;
checkAccess();
if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {
throw new IllegalArgumentException();
}
if((g = getThreadGroup()) != null) {
if (newPriority > g.getMaxPriority()) {
newPriority = g.getMaxPriority();
}
setPriority0(priority = newPriority);
}
}
public final int getPriority() {
return priority;
}
//...
}
Thread类的setPriority()和getPriority()方法分别用来设置和获取线程的优先级。
1.5 线程的状态
一个线程可以处于以下四种状态之一：
- 新建(new)：当线程被创建时，它只会短暂地处于这种状态。
- 就绪(Runnable)：在这种状态下，只要调度器把时间片分配给线程，线程就可以运行。
- 阻塞(Blocked)：当线程处于阻塞状态时，调度器将忽略线程，不会分配给线程任何CPU时间。直到线程重新进入了就绪状态，它才有可能执行操作。
- 死亡(Dead)：处于死亡或终止状态的线程将不再是可调度的，并且再也不会得到CPU时间，它的任务已经结束，或不再是可运行的(任务死亡的通常方式是从run()方法返回)。
一个任务进入阻塞状态，可能有如下原因：
- 通过调用
sleep(milliseconds)使任务进入休眠状态，在这种情况下，任务在指定时间内不会运行。 - 你通过调用
wait()使线程挂起。直到线程得到了notify()或notifyAll()消息，线程才会进入就绪状态。 - 任务在等待某个输入/输出完成。
- 任务试图在某个对象上调用其同步控制方法，但是对象锁不可用，因为另一个任务已经获取了这个锁。
2.解决共享资源竞争
使用线程时的一个基本问题：你永远都不知道一个线程何时在运行。
对于并发工作，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源。
防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。
第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了。而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它。
Java以提供关键字synchronized的形式，为防止资源冲突提供内置支持。当任务要执行被synchronized关键字保护的代码片段的时候，它将检查锁是否可用，然后获取锁，执行代码，释放锁。
共享资源一般是以对象形式存在的内存片段，但也可以是文件、输入/输出端口，或者是打印机。
要控制对共享资源的访问，得先把它包装进一个对象。然后把所有要访问这个资源的方法标记为synchronized。
当在对象上调用其任意synchronized方法的时候，此对象都被加锁。
这时该对象上的其他synchronized方法只有等到前一个方法调用完毕并释放了锁之后才能被调用。
一个任务可以多次获得对象的锁。
如果一个方法在同一个对象上调用了第二个方法，后者又调用了同一对象上的另一个方法，就会发生这种情况。
JVM负责跟踪对象被加锁的次数。
如果一个对象被解锁，其计数变为0。在任务第一次给对象加锁的时候，计数变为1。每当这个相同的任务在这个对象上获得锁时，计数都会递增。
只有首先获得了锁的任务才能允许继续获取多个锁。
每当任务离开一个synchronized方法，计数递减，当计数为零的时候，锁被完全释放，此时别的任务就可以使用此资源。
3.JUC（java.util.concurrent）
3.1 volatile
如果多个任务在同时访问某个域，那么这个域就应该是volatile的，否则，这个域就应该只能经由同步来访问。
如果一个域完全由synchronized方法或语句块来防护，那就不必将其设置为volatile的。
/*
* 一、volatile 关键字：当多个线程进行操作共享数据时，可以保证内存中的数据可见。
* 相较于 synchronized 是一种较为轻量级的同步策略。
*
* 注意：
* 1. volatile 不具备“互斥性”
* 2. volatile 不能保证变量的“原子性”
*/
public class TestVolatile {
public static void main(String[] args) {
ThreadDemo td = new ThreadDemo();
new Thread(td).start();
while(true){
if(td.isFlag()){
System.out.println("------------------");
break;
}
}
}
}
class ThreadDemo implements Runnable {
private volatile boolean flag = false;
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
}
flag = true;
System.out.println("flag=" + isFlag());
}
public boolean isFlag() {
return flag;
}
public void setFlag(boolean flag) {
this.flag = flag;
}
}
3.2 原子类
Java SE5引入了诸如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等特殊的原子性变量类。
这些类被调整为可以使用在某些现代处理器上的可获得的原子性。对于常规编程来说，它们很少会派上用场，但是在涉及性能调优时，它们就有大有用武之地了。
public class TestAtomicDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicDemo ad = new AtomicDemo();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(ad).start();
}
}
}
class AtomicDemo implements Runnable{
// private volatile int serialNumber = 0;
private AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger(0);
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println(getSerialNumber());
}
public int getSerialNumber(){
return serialNumber.getAndIncrement();
}
}
3.3 线程池
使用Executor
/*
* 一、线程池：提供了一个线程队列，队列中保存着所有等待状态的线程。避免了创建与销毁额外开销，提高了响应的速度。
*
* 二、线程池的体系结构：
* java.util.concurrent.Executor : 负责线程的使用与调度的根接口
* |--**ExecutorService 子接口: 线程池的主要接口
* |--ThreadPoolExecutor 线程池的实现类
* |--ScheduledExecutorService 子接口：负责线程的调度
* |--ScheduledThreadPoolExecutor ：继承 ThreadPoolExecutor， 实现 ScheduledExecutorService
*
* 三、工具类 : Executors
* ExecutorService newFixedThreadPool() : 创建固定大小的线程池
* ExecutorService newCachedThreadPool() : 缓存线程池，线程池的数量不固定，可以根据需求自动的更改数量。
* ExecutorService newSingleThreadExecutor() : 创建单个线程池。线程池中只有一个线程
*
* ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool() : 创建固定大小的线程，可以延迟或定时的执行任务。
*/
public class TestThreadPool {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//1. 创建线程池
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
ThreadPoolDemo tpd = new ThreadPoolDemo();
//2. 为线程池中的线程分配任务
for (int i = 0; i < 10; i++) {
pool.submit(tpd);
}
//3. 关闭线程池
pool.shutdown();
}
}
class ThreadPoolDemo implements Runnable{
private int i = 0;
@Override
public void run() {
while(i <= 100){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i++);
}
}
}
从任务中产生返回值
如果你希望任务在完成时能够返回一个值，那么可以实现Callable接口而不是Runnable接口。
在Java SE5中引入的Callable是一种具有类型参数的泛型，它的类型参数表示的是从方法call()中返回的值，并且必须使用ExecutorService.submit()方法调用它。
public class TestThreadPool {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//1. 创建线程池
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
List<Future<Integer>> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Future<Integer> future = pool.submit(new Callable<Integer>(){
@Override
public Integer call() throws Exception {
int sum = 0;
for (int i = 0; i <= 100; i++) {
sum += i;
}
return sum;
}
});
list.add(future);
}
pool.shutdown();
for (Future<Integer> future : list) {
System.out.println(future.get());
}
}
}
class ThreadPoolDemo implements Runnable{
private int i = 0;
@Override
public void run() {
while(i <= 100){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i++);
}
}
}
3.4 同步锁
public class TestLock {
public static void main(String[] args) {
Ticket ticket = new Ticket();
new Thread(ticket, "1号窗口").start();
new Thread(ticket, "2号窗口").start();
new Thread(ticket, "3号窗口").start();
}
}
class Ticket implements Runnable{
private int tick = 100;
private Lock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while(true){
lock.lock(); //上锁
try{
if(tick > 0){
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成售票，余票为：" + --tick);
}
}finally{
lock.unlock(); //释放锁
}
}
}
}
等待唤醒机制（注意避免虚假唤醒问题）：
/*
* 生产者和消费者案例
*/
public class TestProductorAndConsumer {
public static void main(String[] args) {
Clerk clerk = new Clerk();
Productor pro = new Productor(clerk);
Consumer cus = new Consumer(clerk);
new Thread(pro, "生产者 A").start();
new Thread(cus, "消费者 B").start();
// new Thread(pro, "生产者 C").start();
// new Thread(cus, "消费者 D").start();
}
}
//店员
class Clerk{
private int product = 0;
//进货
public synchronized void get(){
while(product >= 1){//为了避免虚假唤醒问题，应该总是使用在循环中
System.out.println("产品已满！");
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + ++product);
this.notifyAll();
}
//卖货
public synchronized void sale(){
while(product <= 0){
System.out.println("缺货！");
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + --product);
this.notifyAll();
}
}
//生产者
class Productor implements Runnable{
private Clerk clerk;
public Productor(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
}
clerk.get();
}
}
}
//消费者
class Consumer implements Runnable{
private Clerk clerk;
public Consumer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
clerk.sale();
}
}
}
3.5 生产者与消费者
使用互斥并允许任务挂起的基本类是Condition，你可以通过在Condition上调用await()来挂起一个任务。
当外部条件发生变化，意味着某个任务应该继续执行时，你可以通过调用signal()来通知这个任务，从而唤醒一个任务，或者调用signalAll()来唤醒所有在这个Condition上被其自身挂起的任务。
public class TestProductorAndConsumerForLock {
public static void main(String[] args) {
Clerk clerk = new Clerk();
Productor pro = new Productor(clerk);
Consumer con = new Consumer(clerk);
new Thread(pro, "生产者 A").start();
new Thread(con, "消费者 B").start();
// new Thread(pro, "生产者 C").start();
// new Thread(con, "消费者 D").start();
}
}
class Clerk {
private int product = 0;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();
// 进货
public void get() {
lock.lock();
try {
if (product >= 1) { // 为了避免虚假唤醒，应该总是使用在循环中。
System.out.println("产品已满！");
try {
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : "
+ ++product);
condition.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
// 卖货
public void sale() {
lock.lock();
try {
if (product <= 0) {
System.out.println("缺货！");
try {
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : "
+ --product);
condition.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
// 生产者
class Productor implements Runnable {
private Clerk clerk;
public Productor(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
clerk.get();
}
}
}
// 消费者
class Consumer implements Runnable {
private Clerk clerk;
public Consumer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
clerk.sale();
}
}
}
