在谈到DelayQueue的使用和原理的时候,我们首先介绍一下DelayQueue,DelayQueue是一个无界阻塞队列,只有在延迟期满时才能从中提取元素。该队列的头部是延迟期满后保存时间最长的Delayed元素。
DelayQueue阻塞队列在我们系统开发中也常常会用到,例如:缓存系统的设计,缓存中的对象,超过了空闲时间,需要从缓存中移出;任务调度系统,能够准确的把握任务的执行时间。我们可能需要通过线程处理很多时间上要求很严格的数据,如果使用普通的线程,我们就需要遍历所有的对象,一个一个的检查看数据是否过期等,首先这样在执行上的效率不会太高,其次就是这种设计的风格也大大的影响了数据的精度。一个需要12:00点执行的任务可能12:01才执行,这样对数据要求很高的系统有更大的弊端。由此我们可以使用DelayQueue。
下面将会对DelayQueue做一个介绍,然后举个例子。并且提供一个Delayed接口的实现和Sample代码。DelayQueue是一个BlockingQueue,其特化的参数是Delayed。(不了解BlockingQueue的同学,先去了解BlockingQueue再看本文)Delayed扩展了Comparable接口,比较的基准为延时的时间值,Delayed接口的实现类getDelay的返回值应为固定值(final)。DelayQueue内部是使用PriorityQueue实现的。
DelayQueue=BlockingQueue+PriorityQueue+Delayed
DelayQueue的关键元素BlockingQueue、PriorityQueue、Delayed。可以这么说,DelayQueue是一个使用优先队列(PriorityQueue)实现的BlockingQueue,优先队列的比较基准值是时间。
他们的基本定义如下
public interface Comparable {
public int compareTo(T o);
}
public interface Delayed extends Comparable {
long getDelay(TimeUnit unit);
}
public class DelayQueue implements BlockingQueue {
private final PriorityQueue q = new PriorityQueue();
}
DelayQueue 内部的实现使用了一个优先队列。当调用 DelayQueue 的 offer 方法时,把 Delayed 对象加入到优先队列 q 中。如下:
public Boolean offer(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
E first = q.peek();
q.offer(e);
if (first == null || e.compareTo(first) < 0)
available.signalAll();
return true;
}
finally {
lock.unlock();
}
}
DelayQueue 的 take 方法,把优先队列 q 的 first 拿出来(peek),如果没有达到延时阀值,则进行 await处理。如下:
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (; ; ) {
E first = q.peek();
if (first == null) {
available.await();
} else {
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay > 0) {
long tl = available.awaitNanos(delay);
} else {
E x = q.poll();
assert x != null;
if (q.size() != 0)
available.signalAll();
//wake up other takers return x;
}
}
}
}
finally {
lock.unlock();
}
}
DelayQueue 实例应用
Ps:为了具有调用行为,存放到 DelayDeque 的元素必须继承 Delayed 接口。Delayed 接口使对象成为延迟对象,它使存放在 DelayQueue 类中的对象具有了激活日期。该接口强制执行下列两个方法。
一下将使用 Delay 做一个缓存的实现。其中共包括三个类Pair、DelayItem、Cache
Pair 类:
public class Pair {
public K first;
public V second;
public Pair() {
}
public Pair(K first, V second) {
this.first = first;
this.second = second;
}
}
以下是对 Delay 接口的实现:
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.Atomiclong;
public class DelayItem implements Delayed {
/**
* Base of nanosecond timings, to avoid wrapping
*/
private static final long NANO_ORIGIN = System.nanoTime();
/**
* Returns nanosecond time offset by origin
*/
final static long now() {
return System.nanoTime() - NANO_ORIGIN;
}
/**
* Sequence number to break scheduling ties, and in turn to guarantee FIFO order among tied
* entries.
*/
private static final Atomiclong sequencer = new Atomiclong(0);
/**
* Sequence number to break ties FIFO
*/
private final long sequenceNumber;
/**
* The time the task is enabled to execute in nanoTime units
*/
private final long time;
private final T item;
public DelayItem(T submit, long timeout) {
this.time = now() + timeout;
this.item = submit;
this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}
public T getItem() {
return this.item;
}
public long getDelay(TimeUnit unit) {
long d = unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
return d;
}
public int compareTo(Delayed other) {
if (other == this) // compare zero ONLY if same object return 0;
if (other instanceof DelayItem) {
DelayItem x = (DelayItem) other;
long diff = time - x.time;
if (diff < 0) return -1; else if (diff > 0) return 1; else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber) return -1; else
return 1;
}
long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
return (d == 0) ?0 :((d < 0) ?-1 :1);
}
}
以下是 Cache 的实现,包括了 put 和 get 方法
import javafx.util.Pair;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentMap;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;
public class Cache {
private static final Logger LOG = Logger.getLogger(Cache.class.getName());
private ConcurrentMap cacheObjMap = new ConcurrentHashMap();
private DelayQueue>> q = new DelayQueue>>();
private Thread daemonThread;
public Cache() {
Runnable daemonTask = new Runnable() {
public void run() {
daemonCheck();
}
}
;
daemonThread = new Thread(daemonTask);
daemonThread.setDaemon(true);
daemonThread.setName("Cache Daemon");
daemonThread.start();
}
private void daemonCheck() {
if (LOG.isLoggable(Level.INFO)) LOG.info("cache service started.");
for (; ; ) {
try {
DelayItem> delayItem = q.take();
if (delayItem != null) {
// 超时对象处理
Pair pair = delayItem.getItem();
cacheObjMap.remove(pair.first, pair.second);
// compare and remove
}
}
catch (InterruptedException e) {
if (LOG.isLoggable(Level.SEVERE)) LOG.log(Level.SEVERE, e.getMessage(), e);
break;
}
}
if (LOG.isLoggable(Level.INFO)) LOG.info("cache service stopped.");
}
// 添加缓存对象
public void put(K key, V value, long time, TimeUnit unit) {
V oldValue = cacheObjMap.put(key, value);
if (oldValue != null) q.remove(key);
long nanoTime = TimeUnit.NANOSECONDS.convert(time, unit);
q.put(new DelayItem>(new Pair(key, value), nanoTime));
}
public V get(K key) {
return cacheObjMap.get(key);
}
}
测试 main 方法:
// 测试入口函数
public static void main(String[] args) throws Exception {
Cache cache = new Cache();
cache.put(1, "aaaa", 3, TimeUnit.SECONDS);
Thread.sleep(1000 * 2);
{
String str = cache.get(1);
System.out.println(str);
}
Thread.sleep(1000 * 2);
{
String str = cache.get(1);
System.out.println(str);
}
}
输出结果为:
aaaa
null
我们看到上面的结果,如果超过延时的时间,那么缓存中数据就会自动丢失,获得就为 null。
首先我们需要了解悲观锁和乐观锁
乐观锁的实现往往需要硬件的支持,多数处理器都都实现了一个CAS指令,实现“Compare And Swap”的语义(这里的swap是“换入”,也就是set),构成了基本的乐观锁。CAS包含3个操作数:
当且仅当位置V的值等于A时,CAS才会通过原子方式用新值B来更新位置V的值;否则不会执行任何操作。无论位置V的值是否等于A,都将返回V原有的值。一个有意思的事实是,“使用CAS控制并发”与“使用乐观锁”并不等价。CAS只是一种手段,既可以实现乐观锁,也可以实现悲观锁。乐观、悲观只是一种并发控制的策略。
这个问题需要考虑到Lock与synchronized两种实现锁的不同情形。因为这种情况下使用Lock和synchronized会有截然不同的结果。Lock可以让等待锁的线程响应中断,Lock获取锁,之后需要释放锁。如下代码,多个线程不可访问同一个类中的2个加了Lock锁的方法。
package com.wityx;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class qq {
private int count = 0;
private Lock lock = new ReentrantLock();
//设置 lock 锁
//方法 1
public Runnable run1 = new Runnable() {
public void run() {
lock.lock();
//加锁
while (count < 1000) {
try {
//打印是否执行该方法
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run1: " + count++);
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
lock.unlock();
}
//方法 2
public Runnable run2 = new Runnable() {
public void run() {
lock.lock();
while (count < 1000) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
" run2: " + count++);
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
lock.unlock();
}
}
;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
qq t = new qq();
//创建一个对象
new Thread(t.run1).start();
//获取该对象的方法 1
new Thread(t.run2).start();
//获取该对象的方法 2
}
}
结果是:
Thread-0 run1: 0
Thread-0 run1: 1
Thread-0 run1: 2
Thread-0 run1: 3
Thread-0 run1: 4
Thread-0 run1: 5
Thread-0 run1: 6
........
而synchronized却不行,使用synchronized时,当我们访问同一个类对象的时候,是同一把锁,所以可以访问该对象的其他synchronized方法。代码如下:
package com.wityx;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class qq {
private int count = 0;
private Lock lock = new ReentrantLock();
public Runnable run1 = new Runnable() {
public void run() {
synchronized (this) {
//设置关键字 synchronized,以当前类为锁
while (count < 1000) {
try {
//打印是否执行该方法
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run1: " + count++);
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
;
public Runnable run2 = new Runnable() {
public void run() {
synchronized (this) {
while (count < 1000) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " run2: " + count++);
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
qq t = new qq();
//创建一个对象
new Thread(t.run1).start();
//获取该对象的方法 1
new Thread(t.run2).start();
//获取该对象的方法 2
}
}
结果为:
Thread-1 run2: 0
Thread-1 run2: 1
Thread-1 run2: 2
Thread-0 run1: 0
Thread-0 run1: 4
Thread-0 run1: 5
Thread-0 run1: 6
......
产生死锁的一个例子:
package com.wityx;
/**
* 一个简单的死锁类
* 当 DeadLock 类的对象 flag==1 时(td1),先锁定 o1,睡眠 500 毫秒
* 而 td1 在睡眠的时候另一个 flag==0 的对象(td2)线程启动,先锁定 o2,睡眠 500 毫秒
*
*
*
* td1 睡眠结束后需要锁定 o2 才能继续执行,而此时 o2 已被 td2 锁定;
* td2 睡眠结束后需要锁定 o1 才能继续执行,而此时 o1 已被 td1 锁定;
* td1、td2 相互等待,都需要得到对方锁定的资源才能继续执行,从而死锁。
*/
public class DeadLock implements Runnable {
public int flag = 1;
//静态对象是类的所有对象共享的
private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object();
public void run() {
System.out.println("flag=" + flag);
if (flag == 1) {
synchronized (o1) {
try {
Thread.sleep(500);
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (o2) {
System.out.println("1");
}
}
}
if (flag == 0) {
synchronized (o2) {
try {
Thread.sleep(500);
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (o1) {
System.out.println("0");
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
DeadLock td1 = new DeadLock();
DeadLock td2 = new DeadLock();
td1.flag = 1;
td2.flag = 0;
//td1,td2 都处于可执行状态,但 JVM 线程调度先执行哪个线程是不确定的。
//td2 的 run()可能在 td1 的 run()之前运行
new Thread(td1).start();
new Thread(td2).start();
}
}
在有些情况下死锁是可以避免的。两种用于避免死锁的技术:
加锁顺序(线程按照一定的顺序加锁)
package wityx.com;
public class DeadLock {
public int flag = 1;
//静态对象是类的所有对象共享的
private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object();
public void money(int flag) {
this.flag = flag;
if (flag == 1) {
synchronized (o1) {
try {
Thread.sleep(500);
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (o2) {
System.out.println("当前的线程是" +
Thread.currentThread().getName() + " " + "flag 的值" + "1");
}
}
}
if (flag == 0) {
synchronized (o2) {
try {
Thread.sleep(500);
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (o1) {
System.out.println("当前的线程是" +
Thread.currentThread().getName() + " " + "flag 的值" + "0");
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final DeadLock td1 = new DeadLock();
final DeadLock td2 = new DeadLock();
td1.flag = 1;
td2.flag = 0;
//td1,td2 都处于可执行状态,但 JVM 线程调度先执行哪个线程是不确定的。
//td2 的 run()可能在 td1 的 run()之前运行
final Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
td1.flag = 1;
td1.money(1);
}
}
);
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
try {
//让 t2 等待 t1 执行完
t1.join();
//核心代码,让 t1 执行完后 t2 才会执行
}
catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
td2.flag = 0;
td1.money(0);
}
}
);
t2.start();
}
}
结果:
当前的线程是 Thread-0 flag 的值 1
当前的线程是 Thread-1 flag 的值 0
加锁时限(线程尝试获取锁的时候加上一定的时限,超过时限则放弃对该锁的请求,并释放自己占有的锁)。
package com.wityx;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class DeadLock {
public int flag = 1;
//静态对象是类的所有对象共享的
private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object();
public void money(int flag) throws InterruptedException {
this.flag = flag;
if (flag == 1) {
synchronized (o1) {
Thread.sleep(500);
synchronized (o2) {
System.out.println("当前的线程是" +
Thread.currentThread().getName() + " " + "flag 的值" + "1");
}
}
}
if (flag == 0) {
synchronized (o2) {
Thread.sleep(500);
synchronized (o1) {
System.out.println("当前的线程是" +
Thread.currentThread().getName() + " " + "flag 的值" + "0");
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final Lock lock = new ReentrantLock();
final DeadLock td1 = new DeadLock();
final DeadLock td2 = new DeadLock();
td1.flag = 1;
td2.flag = 0;
//td1,td2 都处于可执行状态,但 JVM 线程调度先执行哪个线程是不确定的。
//td2 的 run()可能在 td1 的 run()之前运行39.
final Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
String tName = Thread.currentThread().getName();
td1.flag = 1;
try {
//获取不到锁,就等 5 秒,如果 5 秒后还是获取不到就返回 false
if (lock.tryLock(5000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
System.out.println(tName + "获取到锁!");
} else {
System.out.println(tName + "获取不到锁!");
return;
}
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
try {
td1.money(1);
}
catch (Exception e) {
System.out.println(tName + "出错了!!!");
}
finally {
System.out.println("当前的线程是" + Thread.currentThread().getName() + "释放锁!!");
lock.unlock();
}
}
}
);
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
String tName = Thread.currentThread().getName();
// TODO Auto-generated method stub
td1.flag = 1;
try {
//获取不到锁,就等 5 秒,如果 5 秒后还是获取不到就返回 false
if (lock.tryLock(5000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
System.out.println(tName + "获取到锁!");
} else {
System.out.println(tName + "获取不到锁!");
return;
}
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
try {
td2.money(0);
}
catch (Exception e) {
System.out.println(tName + "出错了!!!");
}
finally {
System.out.println("当前的线程是" + Thread.currentThread().getName() + "释放锁!!");
lock.unlock();
}
}
}
);
t2.start();
}
}
打印结果:
Thread-0获取到锁!
当前的线程是Thread-0 flag的值1
当前的线程是Thread-0释放锁!!
Thread-1获取到锁!
当前的线程是Thread-1 flag的值0
当前的线程是Thread-1释放锁!!
线程通信的方式:
共享变量
线程间通信可以通过发送信号,发送信号的一个简单方式是在共享对象的变量里设置信号值。线程A在一个同步块里设置boolean型成员变量hasDataToProcess为true,线程B也在同步块里读取hasDataToProcess这个成员变量。这个简单的例子使用了一个持有信号的对象,并提供了set和get方法:
package com.wityx;
public class MySignal {
//共享的变量
private Boolean hasDataToProcess = false;
//取值
public Boolean getHasDataToProcess() {
return hasDataToProcess;
}
//存值
public void setHasDataToProcess(Boolean hasDataToProcess) {
this.hasDataToProcess = hasDataToProcess;
}
public static void main(String[] args) {
//同一个对象
final MySignal my = new MySignal();
//线程 1 设置 hasDataToProcess 值为 true
final Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
my.setHasDataToProcess(true);
}
}
);
t1.start();
//线程 2 取这个值 hasDataToProcess
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
try {
//等待线程 1 完成然后取值
t1.join();
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
my.getHasDataToProcess();
System.out.println("t1 改变以后的值:" + my.isHasDataToProcess());
}
}
);
t2.start();
}
}
结果:
t1 改变以后的值:true
以资源为例,生产者生产一个资源,通知消费者就消费掉一个资源,生产者继续生产资源,消费者消费资源,以此循环。代码如下:
package com.wityx;
//资源类
class Resource {
private String name;
private int count = 1;
private Boolean flag = false;
public synchronized void set(String name) {
//生产资源
while (flag) {
try {
//线程等待。消费者消费资源
wait();
}
catch (Exception e) {
}
}
this.name = name + "---" + count++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "...生产者..." + this.name);
flag = true;
//唤醒等待中的消费者
this.notifyAll();
}
public synchronized void out() {
//消费资源
while (!flag) {
//线程等待,生产者生产资源
try {
wait();
}
catch (Exception e) {
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "...消费者..." + this.name);
flag = false;
//唤醒生产者,生产资源
this.notifyAll();
}
}
//生产者
class Producer implements Runnable {
private Resource res;
Producer(Resource res) {
this.res = res;
}
//生产者生产资源
public void run() {
while (true) {
res.set("商品");
}
}
}
//消费者消费资源
class Consumer implements Runnable {
private Resource res;
Consumer(Resource res) {
this.res = res;
}
public void run() {
while (true) {
res.out();
}
}
}
public class ProducerConsumerDemo {
public static void main(String[] args) {
Resource r = new Resource();
Producer pro = new Producer(r);
Consumer con = new Consumer(r);
Thread t1 = new Thread(pro);
Thread t2 = new Thread(con);
t1.start();
t2.start();
}
}
特点:线程的划分尺度小于进程,这使多线程程序拥有高并发性,进程在运行时各自内存单元相互独立,线程之间内存共享,这使多线程编程可以拥有更好的性能和用户体验。
注意:多线程编程对于其它程序是不友好的,占据大量cpu资源。
注意:java 5通过Lock接口提供了显示的锁机制,Lock接口中定义了加锁(lock()方法)和解锁(unLock()方法),增强了多线程编程的灵活性及对线程的协调。
启动一个线程是调用 start()方法,使线程所代表的虚拟处理机处于可运行状态,这意味着它可以由 JVM 调度并执行,这并不意味着线程就会立即运行。
run()方法是线程启动后要进行回调(callback)的方法。