java线程安全、同步、协作、Timer和TimerTask、线程池

当我们查看JDK API的时候,总会发现一些类说明写着,线程安全或者线程不安全,比如说StringBuilder中,有这么一句,“将StringBuilder 的实例用于多个线程是不安全的。如果需要这样的同步,则建议使用StringBuffer。 ”,那么下面手动创建一个线程不安全的类,然后在多线程中使用这个类,看看有什么效果。
Count.java:
public class Count {
private int num;
public void count() {
for(int i = 1; i <= 10; i++) {
num += i;
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num);
}
}
在这个类中的count方法是计算1一直加到10的和,并输出当前线程名和总和,我们期望的是每个线程都会输出55。
ThreadTest.java:
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
Runnable runnable = new Runnable() {
Count count = new Count();
public void run() {
count.count();
}
};
for(int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(runnable).start();
}
}
}
这里启动了10个线程,看一下输出结果:
Thread-0-55
Thread-1-110
Thread-2-165
Thread-4-220
Thread-5-275
Thread-6-330
Thread-3-385
Thread-7-440
Thread-8-495
Thread-9-550
只有Thread-0线程输出的结果是我们期望的,而输出的是每次都累加的,这里累加的原因以后的博文会说明,那么要想得到我们期望的结果,有几种解决方案:
1. 将Count中num变成count方法的局部变量;
public class Count {
public void count() {
int num = 0;
for(int i = 1; i <= 10; i++) {
num += i;
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num);
}
}
2. 将线程类成员变量拿到run方法中;
public class ThreadTest4 {
public static void main(String[] args) {
Runnable runnable = new Runnable() {
public void run() {
Count count = new Count();
count.count();
}
};
for(int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(runnable).start();
}
}
}
3. 每次启动一个线程使用不同的线程类,不推荐。
上述测试,我们发现,存在成员变量的类用于多线程时是不安全的,而变量定义在方法内是线程安全的。想想在使用struts1时,不推荐创建成员变量,因为 action是单例的,如果创建了成员变量,就会存在线程不安全的隐患,而struts2是每一次请求都会创建一个action,就不用考虑线程安全的问题。

上篇通过一个简单的例子说明了线程安全与不安全,在例子中不安全的情况下输出的结果恰好是逐个递增的,为什么会产生这样的结果呢,因为建立的Count对象是线程共享的,一个线程改变了其成员变量num值,下一个线程正巧读到了修改后的num,所以会递增输出。
要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性,可见性和有序性。多个线程之间是不能直接传递数据交互的,它们之间的交互只能通过共享变量来实现。 拿上篇博文中的例子来说明,在多个线程之间共享了Count类的一个对象,这个对象是被创建在主内存(堆内存)中,每个线程都有自己的工作内存(线程 栈),工作内存存储了主内存Count对象的一个副本,当线程操作Count对象时,首先从主内存复制Count对象到工作内存中,然后执行代码 count.count(),改变了num值,最后用工作内存Count刷新主内存Count。当一个对象在多个内存中都存在副本时,如果一个内存修改了 共享变量,其它线程也应该能够看到被修改后的值,此为可见性。由上述可知,一个运算赋值操作并不是一个原子性操作,多 个线程执行时,CPU对线程的调度是随机的,我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程,一个最经典的例子就是银行汇款问题,一个银行账户存款 100,这时一个人从该账户取10元,同时另一个人向该账户汇10元,那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况,A线程负责取款,B线程负责汇 款,A从主内存读到100,B从主内存读到100,A执行减10操作,并将数据刷新到主内存,这时主内存数据100-10=90,而B内存执行加10操 作,并将数据刷新到主内存,最后主内存数据100+10=110,显然这是一个严重的问题,我们要保证A线程和B线程有序执行,先取款后汇款或者先汇款后 取款,此为有序性。
下面同样用代码来展示一下线程同步问题。
TraditionalThreadSynchronized.java:创建两个线程,执行同一个对象的输出方法。
public class TraditionalThreadSynchronized {
public static void main(String[] args) {
final Outputter output = new Outputter();
new Thread() {
public void run() {
output.output("zhangsan");
};
}.start();
new Thread() {
public void run() {
output.output("lisi");
};
}.start();
}
}
class Outputter {
public void output(String name) {
// TODO 为了保证对name的输出不是一个原子操作,这里逐个输出name的每个字符
for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
System.out.print(name.charAt(i));
}
}
}
运行结果:
zhlainsigsan
显然输出的字符串被打乱了,我们期望的输出结果是zhangsanlisi,这就是线程同步问题,我们希望output方法被一个线程完整的执行完之后在 切换到下一个线程,Java中使用synchronized保证一段代码在多线程执行时是互斥的,有两种用法:
1. 使用synchronized将需要互斥的代码包含起来,并上一把锁。
synchronized (this) {
for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
System.out.print(name.charAt(i));
}
}
这把锁必须是线程间的共享对象,像下面的代码是没有意义的。
Object lock = new Object();
synchronized (lock) {
for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
System.out.print(name.charAt(i));
}
}
每次进入output方法都会创建一个新的lock,这个锁显然每个线程都会创建,没有意义。
2. 将synchronized加在需要互斥的方法上。
public synchronized void output(String name) {
// TODO 线程输出方法
for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
System.out.print(name.charAt(i));
}
}
这种方式就相当于用this锁住整个方法内的代码块,如果用synchronized加在静态方法上,就相当于用××××.class锁住整个方法内的代码块。使用synchronized在某些情况下会造成死锁,死锁问题以后会说明。
每个锁对象都有两个队列,一个是就绪队列,一个是阻塞队列,就绪队列存储了将要获得锁的线程,阻塞队列存储了被阻塞的线程,当一个线程被唤醒 (notify)后,才会进入到就绪队列,等待CPU的调度,反之,当一个线程被wait后,就会进入阻塞队列,等待下一次被唤醒,这个涉及到线程间的通 信,下一篇博文会说明。看我们的例子,当第一个线程执行输出方法时,获得同步锁,执行输出方法,恰好此时第二个线程也要执行输出方法,但发现同步锁没有被 释放,第二个线程就会进入就绪队列,等待锁被释放。一个线程执行互斥代码过程如下:
1. 获得同步锁;
2. 清空工作内存;
3. 从主内存拷贝对象副本到工作内存;
4. 执行代码(计算或者输出等);
5. 刷新主内存数据;
6. 释放同步锁。
所以,synchronized既保证了多线程的并发有序性,又保证了多线程的内存可见性。
volatile是第二种Java多线程同步的手段,根据JLS的说法,一个变量可以被volatile修饰,在这种情况下内存模型确保所有线程可以看到一致的变量值,来看一段代码:
class Test {
static int i = 0, j = 0;
static void one() {
i++;
j++;
}
static void two() {
System.out.println("i=" + i + " j=" + j);
}
}
一些线程执行one方法,另一些线程执行two方法,two方法有可能打印出j比i大的值,按照之前分析的线程执行过程分析一下:
1. 将变量i从主内存拷贝到工作内存;
2. 改变i的值;
3. 刷新主内存数据;
4. 将变量j从主内存拷贝到工作内存;
5. 改变j的值;
6. 刷新主内存数据;
这个时候执行two方法的线程先读取了主存i原来的值又读取了j改变后的值,这就导致了程序的输出不是我们预期的结果,那么可以在共享变量之前加上volatile。
class Test {
static volatile int i = 0, j = 0;
static void one() {
i++;
j++;
}
static void two() {
System.out.println("i=" + i + " j=" + j);
}
}
加上volatile可以将共享变量i和j的改变直接响应到主内存中,这样保证了i和j的值可以保持一致,然而我们不能保证执行two方法的线程是在i和j执行到什么程度获取到的,所以volatile可以保证内存可见性,不能保证并发有序性。

上一篇讲述了线程的互斥(同步),但是在很多情况下,仅仅同步是不够的,还需要线程与线程协作(通信),生产者/消费者模式是一个经典的线程同步以及通信的模型。
假设有这样一种情况,有一个盘子,盘子里只能放一个鸡蛋,A线程专门往盘子里放鸡蛋,如果盘子里有鸡蛋,则一直等到盘子里没鸡蛋,B线程专门从盘子里取鸡 蛋,如果盘子里没鸡蛋,则一直等到盘子里有鸡蛋。这里盘子是一个互斥区,每次放鸡蛋是互斥的,每次取鸡蛋也是互斥的,A线程放鸡蛋,如果这时B线程要取鸡 蛋,由于A没有释放锁,B线程处于等待状态,进入阻塞队列,放鸡蛋之后,要通知B线程取鸡蛋,B线程进入就绪队列,反过来,B线程取鸡蛋,如果A线程要放 鸡蛋,由于B线程没有释放锁,A线程处于等待状态,进入阻塞队列,取鸡蛋之后,要通知A线程放鸡蛋,A线程进入就绪队列。我们希望当盘子里有鸡蛋时,A线 程阻塞,B线程就绪,盘子里没鸡蛋时,A线程就绪,B线程阻塞,代码如下:
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Plate {

List eggs = new ArrayList();

public synchronized Object getEgg() {
while (eggs.size() == 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
Object egg = eggs.get(0);
eggs.clear();// 清空盘子
notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
System.out.println("拿到鸡蛋");
return egg;
}

public synchronized void putEgg(Object egg) {
while (eggs.size() > 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋
notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
System.out.println("放入鸡蛋");
}
static class AddThread extends Thread {
private Plate plate;
private Object egg = new Object();
public AddThread(Plate plate) {
this.plate = plate;
}
public void run() {
plate.putEgg(egg);
}
}
static class GetThread extends Thread {
private Plate plate;
public GetThread(Plate plate) {
this.plate = plate;
}
public void run() {
plate.getEgg();
}
}
public static void main(String args[]) {
Plate plate = new Plate();
for(int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new AddThread(plate)).start();
new Thread(new GetThread(plate)).start();
}
}
}
输出结果:
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
8 l程序开始,A线程判断盘子是否为空,放入一个鸡蛋,并且唤醒在阻塞队列的一个线程,阻塞队列为空;假设CPU又调度了一个A线程,盘子非空,执行等待, 这个A线程进入阻塞队列;然后一个B线程执行,盘子非空,取走鸡蛋,并唤醒阻塞队列的A线程,A线程进入就绪队列,此时就绪队列就一个A线程,马上执行, 放入鸡蛋;如果再来A线程重复第一步,在来B线程重复第二步,整个过程就是生产者(A线程)生产鸡蛋,消费者(B线程)消费鸡蛋。
前段时间看了张孝祥老师线程的视频,讲述了一个其学员的面试题,也是线程通信的,在此也分享一下。
题目:子线程循环10次,主线程循环100次,如此循环100次,好像是空中网的笔试题。
public class ThreadTest2 {
public static void main(String[] args) {
final Business business = new Business();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
threadExecute(business, "sub");
}
}).start();
threadExecute(business, "main");
}
public static void threadExecute(Business business, String threadType) {
for(int i = 0; i < 100; i++) {
try {
if("main".equals(threadType)) {
business.main(i);
} else {
business.sub(i);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class Business {
private boolean bool = true;
public synchronized void main(int loop) throws InterruptedException {
while(bool) {
this.wait();
}
for(int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("main thread seq of " + i + ", loop of " + loop);
}
bool = true;
this.notify();
}
public synchronized void sub(int loop) throws InterruptedException {
while(!bool) {
this.wait();
}
for(int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("sub thread seq of " + i + ", loop of " + loop);
}
bool = false;
this.notify();
}
}
大家注意到没有,在调用wait方法时,都是用while判断条件的,而不是if,在wait方法说明中,也推荐使用while,因为在某些特定的情况下,线程有可能被假唤醒,使用while会循环检测更稳妥。

Timer和TimerTask可以做为实现线程的第三种方式,前两中方式分别是继承自Thread类和实现Runnable接口。
Timer是一种线程设施,用于安排以后在后台线程中执行的任务。可安排任务执行一次,或者定期重复执行,可以看成一个定时器,可以调度TimerTask。TimerTask是一个抽象类,实现了Runnable接口,所以具备了多线程的能力。
一个Timer可以调度任意多个TimerTask,它会将TimerTask存储在一个队列中,顺序调度,如果想两个TimerTask并发执行,则需要创建两个Timer。下面来看一个简单的例子:
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;
public class TimerTest {
static class MyTimerTask1 extends TimerTask {
public void run() {
System.out.println("爆炸!!!");
}
}
public static void main(String[] args) {
Timer timer = new Timer();
timer.schedule(new MyTimerTask1(), 2000);// 两秒后启动任务
}
}
schedule是Timer调度任务的方法,Timer重构了四个schedule方法,具体可以查看JDK API。
看一个稍复杂的例子,假设有这样一种需求,实现一个连环zhadan,2秒后爆炸一次,3秒后爆炸一次,如此循环下去,这就需要创建两个任务,互相调度,代码如下:
import java.util.Date;
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;
public class TimerTest {
static class MyTimerTask1 extends TimerTask {
public void run() {
System.out.println("爆炸!!!");
new Timer().schedule(new MyTimerTask2(), 2000);
}
}
static class MyTimerTask2 extends TimerTask {
public void run() {
System.out.println("爆炸!!!");
new Timer().schedule(new MyTimerTask1(), 3000);
}
}
public static void main(String[] args) {
Timer timer = new Timer();
timer.schedule(new MyTimerTask2(), 2000);
while(true) {
System.out.println(new Date().getSeconds());
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
}

自JDK5之后,Java推出了一个并发包,java.util.concurrent,在Java开发中,我们接触到了好多池的技术,String类的对象池、Integer的共享池、连接数据库的连接池、Struts1.3的对象池等等,池的最终目的都是节约资源,以更小的开销做更多的事情,从而提高性能。
我们的web项目都是部署在服务器上,浏览器端的每一个request就是一个线程,那么服务器需要并发的处理多个请求,就需要线程池技术,下面来看一下Java并发包下如何创建线程池。
1. 创建一个可重用固定线程集合的线程池,以共享的无界队列方式来运行这些线程。

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);// 创建可以容纳3个线程的线程池
2. 创建一个可根据需要创建新线程的线程池,但是在以前构造的线程可用时将重用它们。


ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();// 线程池的大小会根据执行的任务数动态分配
3. 创建一个使用单个 worker 线程的 Executor,以无界队列方式来运行该线程。


ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();// 创建单个线程的线程池,如果当前线程在执行任务时突然中断,则会创建一个新的线程替代它继续执行任务
4. 创建一个可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行的线程池。


ScheduledExecutorService threadPool = Executors.newScheduledThreadPool(3);// 效果类似于Timer定时器
每种线程池都有不同的使用场景,下面看一下这四种线程池使用起来有什么不同。

1. FixedThreadPool

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ThreadPoolTest {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
for(int i = 1; i < 5; i++) {
final int taskID = i;
threadPool.execute(new Runnable() {
public void run() {
for(int i = 1; i < 5; i++) {
try {
Thread.sleep(20);// 为了测试出效果,让每次任务执行都需要一定时间
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("第" + taskID + "次任务的第" + i + "次执行");
}
}
});
}
threadPool.shutdown();// 任务执行完毕,关闭线程池
}
}
输出结果:


第1次任务的第1次执行
第2次任务的第1次执行
第3次任务的第1次执行
第2次任务的第2次执行
第3次任务的第2次执行
第1次任务的第2次执行
第3次任务的第3次执行
第1次任务的第3次执行
第2次任务的第3次执行
第3次任务的第4次执行
第2次任务的第4次执行
第1次任务的第4次执行
第4次任务的第1次执行
第4次任务的第2次执行
第4次任务的第3次执行
第4次任务的第4次执行
上段代码中,创建了一个固定大小的线程池,容量为3,然后循环执行了4个任务,由输出结果可以看到,前3个任务首先执行完,然后空闲下来的线程去执行第4 个任务,在FixedThreadPool中,有一个固定大小的池,如果当前需要执行的任务超过了池大小,那么多于的任务等待状态,直到有空闲下来的线程 执行任务,而当执行的任务小于池大小,空闲的线程也不会去销毁。
2. CachedThreadPool

上段代码其它地方不变,将newFixedThreadPool方法换成newCachedThreadPool方法。
输出结果:

第3次任务的第1次执行
第4次任务的第1次执行
第1次任务的第1次执行
第2次任务的第1次执行
第4次任务的第2次执行
第3次任务的第2次执行
第2次任务的第2次执行
第1次任务的第2次执行
第2次任务的第3次执行
第3次任务的第3次执行
第1次任务的第3次执行
第4次任务的第3次执行
第2次任务的第4次执行
第4次任务的第4次执行
第3次任务的第4次执行
第1次任务的第4次执行
可见,4个任务是交替执行的,CachedThreadPool会创建一个缓存区,将初始化的线程缓存起来,如果线程有可用的,就使用之前创建好的线程,如果没有可用的,就新创建线程,终止并且从缓存中移除已有60秒未被使用的线程。

3. SingleThreadExecutor
上段代码其它地方不变,将newFixedThreadPool方法换成newSingleThreadExecutor方法。
输出结果:

第1次任务的第1次执行
第1次任务的第2次执行
第1次任务的第3次执行
第1次任务的第4次执行
第2次任务的第1次执行
第2次任务的第2次执行
第2次任务的第3次执行
第2次任务的第4次执行
第3次任务的第1次执行
第3次任务的第2次执行
第3次任务的第3次执行
第3次任务的第4次执行
第4次任务的第1次执行
第4次任务的第2次执行
第4次任务的第3次执行
第4次任务的第4次执行
4个任务是顺序执行的,SingleThreadExecutor得到的是一个单个的线程,这个线程会保证你的任务执行完成,如果当前线程意外终止,会创建一个新线程继续执行任务,这和我们直接创建线程不同,也和newFixedThreadPool(1)不同。

4.ScheduledThreadPool

import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ThreadPoolTest {
public static void main(String[] args) {
ScheduledExecutorService schedulePool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
// 5秒后执行任务
schedulePool.schedule(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("爆炸");
}
}, 5, TimeUnit.SECONDS);
// 5秒后执行任务,以后每2秒执行一次
schedulePool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("爆炸");
}
}, 5, 2, TimeUnit.SECONDS);
}
}
ScheduledThreadPool是一个固定大小的线程池,与FixedThreadPool类似,执行的任务是定时执行。

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