java多线程设计模式.docx
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java多线程设计模式.docx
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java多线程设计模式
java语言已经内置了多线程支持,所有实现Runnable接口的类都可被启动一个新线程,新线程会执行该实例的run()方法,当run()方法执行完毕后,线程就结束了。
一旦一个线程执行完毕,这个实例就不能再重新启动,只能重新生成一个新实例,再启动一个新线程。
Thread类是实现了Runnable接口的一个实例,它代表一个线程的实例,并且,启动线程的唯一方法就是通过Thread类的start()实例方法:
Thread t = new Thread();
t.start();
start()方法是一个native方法,它将启动一个新线程,并执行run()方法。
Thread类默认的run()方法什么也不做就退出了。
注意:
直接调用run()方法并不会启动一个新线程,它和调用一个普通的java方法没有什么区别。
因此,有两个方法可以实现自己的线程:
方法1:
自己的类extend Thread,并复写run()方法,就可以启动新线程并执行自己定义的run()方法。
例如:
public class MyThread extends Thread {
public run() {
System.out.println("MyThread.run()");
}
}
在合适的地方启动线程:
new MyThread().start();
方法2:
如果自己的类已经extends另一个类,就无法直接extends Thread,此时,必须实现一个Runnable接口:
public class MyThread extends OtherClass implements Runnable {
public run() {
System.out.println("MyThread.run()");
}
}
为了启动MyThread,需要首先实例化一个Thread,并传入自己的MyThread实例:
MyThread myt = new MyThread();
Thread t = new Thread(myt);
t.start();
事实上,当传入一个Runnable target参数给Thread后,Thread的run()方法就会调用target.run(),参考JDK源代码:
public void run() {
if (target !
= null) {
target.run();
}
}
线程还有一些Name, ThreadGroup, isDaemon等设置,由于和线程设计模式关联很少,这里就不多说了。
由于同一进程内的多个线程共享内存空间,在Java中,就是共享实例,当多个线程试图同时修改某个实例的内容时,就会造成冲突,因此,线程必须实现共享互斥,使多线程同步。
最简单的同步是将一个方法标记为synchronized,对同一个实例来说,任一时刻只能有一个synchronized方法在执行。
当一个方法正在执行某个synchronized方法时,其他线程如果想要执行这个实例的任意一个synchronized方法,都必须等待当前执行 synchronized方法的线程退出此方法后,才能依次执行。
但是,非synchronized方法不受影响,不管当前有没有执行synchronized方法,非synchronized方法都可以被多个线程同时执行。
此外,必须注意,只有同一实例的synchronized方法同一时间只能被一个线程执行,不同实例的synchronized方法是可以并发的。
例如,class A定义了synchronized方法sync(),则不同实例a1.sync()和a2.sync()可以同时由两个线程来执行。
多线程同步的实现最终依赖锁机制。
我们可以想象某一共享资源是一间屋子,每个人都是一个线程。
当A希望进入房间时,他必须获得门锁,一旦A获得门锁,他进去后就立刻将门锁上,于是B,C,D...就不得不在门外等待,直到A释放锁出来后,B,C,D...中的某一人抢到了该锁(具体抢法依赖于 JVM的实现,可以先到先得,也可以随机挑选),然后进屋又将门锁上。
这样,任一时刻最多有一人在屋内(使用共享资源)。
Java语言规范内置了对多线程的支持。
对于Java程序来说,每一个对象实例都有一把“锁”,一旦某个线程获得了该锁,别的线程如果希望获得该锁,只能等待这个线程释放锁之后。
获得锁的方法只有一个,就是synchronized关键字。
例如:
public class SharedResource {
private int count = 0;
public int getCount() { return count; }
public synchronized void setCount(int count) { this.count = count; }
}
同步方法public synchronized void setCount(int count) { this.count = count; } 事实上相当于:
public void setCount(int count) {
synchronized(this) { // 在此获得this锁
this.count = count;
} // 在此释放this锁
}
红色部分表示需要同步的代码段,该区域为“危险区域”,如果两个以上的线程同时执行,会引发冲突,因此,要更改SharedResource的内部状态,必须先获得SharedResource实例的锁。
退出synchronized块时,线程拥有的锁自动释放,于是,别的线程又可以获取该锁了。
为了提高性能,不一定要锁定this,例如,SharedResource有两个独立变化的变量:
public class SharedResouce {
private int a = 0;
private int b = 0;
public synchronized void setA(int a) { this.a = a; }
public synchronized void setB(int b) { this.b = b; }
}
若同步整个方法,则setA()的时候无法setB(),setB()时无法setA()。
为了提高性能,可以使用不同对象的锁:
public class SharedResouce {
private int a = 0;
private int b = 0;
private Object sync_a = new Object();
private Object sync_b = new Object();
public void setA(int a) {
synchronized(sync_a) {
this.a = a;
}
}
public synchronized void setB(int b) {
synchronized(sync_b) {
this.b = b;
}
}
}
通常,多线程之间需要协调工作。
例如,浏览器的一个显示图片的线程displayThread想要执行显示图片的任务,必须等待下载线程 downloadThread将该图片下载完毕。
如果图片还没有下载完,displayThread可以暂停,当downloadThread完成了任务后,再通知displayThread“图片准备完毕,可以显示了”,这时,displayThread继续执行。
以上逻辑简单的说就是:
如果条件不满足,则等待。
当条件满足时,等待该条件的线程将被唤醒。
在Java中,这个机制的实现依赖于wait/notify。
等待机制与锁机制是密切关联的。
例如:
synchronized(obj) {
while(!
condition) {
obj.wait();
}
obj.doSomething();
}
当线程A获得了obj锁后,发现条件condition不满足,无法继续下一处理,于是线程A就wait()。
在另一线程B中,如果B更改了某些条件,使得线程A的condition条件满足了,就可以唤醒线程A:
synchronized(obj) {
condition = true;
obj.notify();
}
需要注意的概念是:
# 调用obj的wait(), notify()方法前,必须获得obj锁,也就是必须写在synchronized(obj) {...} 代码段内。
# 调用obj.wait()后,线程A就释放了obj的锁,否则线程B无法获得obj锁,也就无法在synchronized(obj) {...} 代码段内唤醒A。
# 当obj.wait()方法返回后,线程A需要再次获得obj锁,才能继续执行。
# 如果A1,A2,A3都在obj.wait(),则B调用obj.notify()只能唤醒A1,A2,A3中的一个(具体哪一个由JVM决定)。
# obj.notifyAll()则能全部唤醒A1,A2,A3,但是要继续执行obj.wait()的下一条语句,必须获得obj锁,因此,A1,A2,A3只有一个有机会获得锁继续执行,例如A1,其余的需要等待A1释放obj锁之后才能继续执行。
# 当B调用obj.notify/notifyAll的时候,B正持有obj锁,因此,A1,A2,A3虽被唤醒,但是仍无法获得obj锁。
直到B退出synchronized块,释放obj锁后,A1,A2,A3中的一个才有机会获得锁继续执行。
前面讲了wait/notify机制,Thread还有一个sleep()静态方法,它也能使线程暂停一段时间。
sleep与wait的不同点是:
sleep并不释放锁,并且sleep的暂停和wait暂停是不一样的。
obj.wait会使线程进入obj对象的等待集合中并等待唤醒。
但是wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法打断线程的暂停状态,从而使线程立刻抛出InterruptedException。
如果线程A希望立即结束线程B,则可以对线程B对应的Thread实例调用interrupt方法。
如果此刻线程B正在wait/sleep/join,则线程B会立刻抛出InterruptedException,在catch() {} 中直接return即可安全地结束线程。
需要注意的是,InterruptedException是线程自己从内部抛出的,并不是interrupt()方法抛出的。
对某一线程调用 interrupt()时,如果该线程正在执行普通的代码,那么该线程根本就不会抛出InterruptedException。
但是,一旦该线程进入到 wait()/sleep()/join()后,就会立刻抛出InterruptedException。
GuardedSuspention模式主要思想是:
当条件不满足时,线程等待,直到条件满足时,等待该条件的线程被唤醒。
我们设计一个客户端线程和一个服务器线程,客户端线程不断发送请求给服务器线程,服务器线程不断处理请求。
当请求队列为空时,服务器线程就必须等待,直到客户端发送了请求。
先定义一个请求队列:
Queue
package com.crackj2ee.thread;
import java.util.*;
public class Queue {
private List queue = new LinkedList();
public synchronized Request getRequest() {
while(queue.size()==0) {
try {
this.wait();
}
catch(InterruptedException ie) {
return null;
}
}
return (Request)queue.remove(0);
}
public synchronized void putRequest(Request request) {
queue.add(request);
this.notifyAll();
}
}
蓝色部分就是服务器线程的等待条件,而客户端线程在放入了一个request后,就使服务器线程等待条件满足,于是唤醒服务器线程。
客户端线程:
ClientThread
package com.crackj2ee.thread;
public class ClientThread extends Thread {
private Queue queue;
private String clientName;
public ClientThread(Queue queue, String clientName) {
this.queue = queue;
this.clientName = clientName;
}
public String toString() {
return "[ClientThread-" + clientName + "]";
}
public void run() {
for(int i=0; i<100; i++) {
Request request = new Request("" + (long)(Math.random()*10000));
System.out.println(this + " send request:
" + request);
queue.putRequest(request);
try {
Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000 + 1000));
}
catch(InterruptedException ie) {
}
}
System.out.println(this + " shutdown.");
}
}
服务器线程:
ServerThread
package com.crackj2ee.thread;
public class ServerThread extends Thread {
private boolean stop = false;
private Queue queue;
public ServerThread(Queue queue) {
this.queue = queue;
}
public void shutdown() {
stop = true;
this.interrupt();
try {
this.join();
}
catch(InterruptedException ie) {}
}
public void run() {
while(!
stop) {
Request request = queue.getRequest();
System.out.println("[ServerThread] handle request:
" + request);
try {
Thread.sleep(2000);
}
catch(InterruptedException ie) {}
}
System.out.println("[ServerThread] shutdown.");
}
}
服务器线程在红色部分可能会阻塞,也就是说,Queue.getRequest是一个阻塞方法。
这和java标准库的许多IO方法类似。
最后,写一个Main来启动他们:
package com.crackj2ee.thread;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Queue queue = new Queue();
ServerThread server = new ServerThread(queue);
server.start();
ClientThread[] clients = new ClientThread[5];
for(int i=0; i clients[i] = new ClientThread(queue, ""+i); clients[i].start(); } try { Thread.sleep(100000); } catch(InterruptedException ie) {} server.shutdown(); } } 我们启动了5个客户端线程和一个服务器线程,运行结果如下: [ClientThread-0] send request: Request-4984 [ServerThread] handle request: Request-4984 [ClientThread-1] send request: Request-2020 [ClientThread-2] send request: Request-8980 [ClientThread-3] send request: Request-5044 [ClientThread-4] send request: Request-548 [ClientThread-4] send request: Request-6832 [ServerThread] handle request: Request-2020 [ServerThread] handle request: Request-8980 [ServerThread] handle request: Request-5044 [ServerThread] handle request: Request-548 [ClientThread-4] send request: Request-1681 [ClientThread-0] send request: Request-7859 [ClientThread-3] send request: Request-3926 [ServerThread] handle request: Request-6832 [ClientThread-2] send request: Request-9906 ...... 可以观察到ServerThread处理来自不同客户端的请求。 思考 Q: 服务器线程的wait条件while(queue.size()==0)能否换成if(queue.size()==0)? A: 在这个例子中可以,因为服务器线程只有一个。 但是,如果服务器线程有多个(例如Web应用程序有多个线程处理并发请求,这非常普遍),就会造成严重问题。 Q: 能否用sleep(1000)代替wait()? A: 绝对不可以。 sleep()不会释放锁,因此sleep期间别的线程根本没有办法调用getRequest()和putRequest(),导致所有相关线程都被阻塞。 Q: (Request)queue.remove(0)可以放到synchronized() {}块外面吗? A: 不可以。 因为while()是测试queue,remove()是使用queue,两者是一个原子操作,不能放在synchronized外面。 总结 多线程设计看似简单,实际上必须非常仔细地考虑各种锁定/同步的条件,稍不小心,就可能出错。 并且,当线程较少时,很可能发现不了问题,一旦问题出现又难以调试。 所幸的是,已有一些被验证过的模式可以供我们使用,我们会继续介绍一些常用的多线程设计模式。 前面谈了多线程应用程序能极大地改善用户相应。 例如对于一个Web应用程序,每当一个用户请求服务器连接时,服务器就可以启动一个新线程为用户服务。 然而,创建和销毁线程本身就有一定的开销,如果频繁创建和销毁线程,CPU和内存开销就不可忽略,垃圾收集器还必须负担更多的工作。 因此,线程池就是为了避免频繁创建和销毁线程。 每当服务器接受了一个新的请求后,服务器就从线程池中挑选一个等待的线程并执行请求处理。 处理完毕后,线程并不结束,而是转为阻塞状态再次被放入线程池中。 这样就避免了频繁创建和销毁线程。 Worker Pattern实现了类似线程池的功能。 首先定义Task接口: package com.crackj2ee.thread; public interface Task { void execute(); } 线程将负责执行execute()方法。 注意到任务是由子类通过实现execute()方法实现的,线程本身并不知道自己执行的任务。 它只负责运行一个耗时的execute()方法。 具体任务由子类实现,我们定义了一个CalculateTask和一个TimerTask: // CalculateTask.java package com.crackj2ee.thread; public class CalculateTask implements Task { private static int count = 0; private int num = count; public CalculateTask() { count++; } public void execute() { System.out.println("[CalculateTask " + num + "] start..."); try {
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