java.util.concurrent 架构

最近由于工作需要,回去好好复习了一遍java,学习和温习了和多线程,正则表达式,模式设计,Socket编程等相关的知识,基本算把某个相当牛的程序 看懂了,从中收获颇深,近期也会把相关的知识点做成笔记放到博客来。当然在这里得好好感谢一下晟晟和刁,在我迷惑的时候问他们总能找到自己想要的答案,当 然还有晟晟的书,《精通正则表达式》,看完之后,感觉自己写正则的水平提高了不止一个档次,嘿嘿,

下面先整理一下与多线程相关的知识:
JDK5中的一个亮点就是将Doug Lea 的并发库 引入到Java标准库中。Doug Lea确实是一个牛人,能教书,能出书,能编码,不过这在国外还是比较普遍的,而国内的教授们就相差太远了。

一般的服务器都需要线程池,比如Web、FTP等服务器,不过它们一般都自己实现了线程池, 比如以前介绍过的Tomcat 、 Resin和Jetty等,现在有了JDK5,我们就没有必要重复造车轮了,直接使用就可以,何况使用也很方便,性能也非常高。

package concurrent;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class TestThreadPool {
public static void main ( String args []) throws InterruptedException {
// only two threads
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool ( 2 ) ;
for ( int index = 0 ; index < 100 ; index++ ) {
Runnable run = new Runnable () {
public void run () {
long time = ( long ) ( Math.random () * 1000 ) ;
System.out.println ( “Sleeping ” + time + “ms” ) ;
try {
Thread.sleep ( time ) ;
} catch ( InterruptedException e ) {
}
}
} ;
exec.execute ( run ) ;
}
// must shutdown
exec.shutdown () ;
}
}

上面是一个简单的例子,使用了2个大小的线程池来处理100个线程。但有一个问题:在for 循环的过程中,会等待线程池有空闲的线程,所以主线程会阻塞的。为了解决这个问题,一般启动一个线程来做for循环,就是为了避免由于线程池满了造成主线 程阻塞。不过在这里我没有这样处理。[重要修正:经过测试,即使线程池大小小于实际线程数大小,线程池也不会阻塞的,这与Tomcat的线程池不同,它将 Runnable实例放到一个“无限”的BlockingQueue中,所以就不用一个线程启动for循环,Doug Lea果然厉害]

另外它使用了Executors的静态函数生成一个固定的线程池,顾名思义,线程池的线程是 不会释放的,即使它是Idle。这就会产生性能问题,比如如果线程池的大小为200,当全部使用完毕后,所有的线程会继续留在池中,相应的内存和线程切换 (while(true)+sleep循环)都会增加。如果要避免这个问题,就必须直接使用ThreadPoolExecutor()来构造。可以像 Tomcat的线程池一样设置“最大线程数”、“最小线程数”和“空闲线程keepAlive的时间”。通过这些可以基本上替换Tomcat的线程池实现 方案。

需要注意的是线程池必须使用shutdown来显式关闭,否则主线程就无法退出。 shutdown也不会阻塞主线程。

多长时间运行的应用有时候需要定时运行 任务完成一些诸如统计、优化等工作,比如在电信行业中处理用户话单时,需要每隔1分钟处理话单;网站每天凌晨统计用户访问量、用户数;大型超时凌晨3点统 计当天销售额、以及最热卖的商品;每周日进行数据库备份;公司每个月的10号计算工资并进行转帐等,这些都是定时任务。通过 java的并发库 concurrent 可以轻松的完成这些任务,而且非常的简单。

package concurrent;
import static java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.ScheduledFuture;
public class TestScheduledThread {
public static void main ( String [] args ) {
final ScheduledExecutorService scheduler = Executors
.newScheduledThreadPool ( 2 ) ;
final Runnable beeper = new Runnable () {
int count = 0 ;
public void run () {
System.out.println ( new Date () + ” beep ” + ( ++count )) ;
}
} ;
// 1秒钟后运行,并每隔2秒运行一次
final ScheduledFuture beeperHandle = scheduler.scheduleAtFixedRate (
beeper, 1 , 2 , SECONDS ) ;
// 2秒钟后运行,并每次在上次任务运行完后等待5秒后重新运行
final ScheduledFuture beeperHandle2 = scheduler
.scheduleWithFixedDelay ( beeper, 2 , 5 , SECONDS ) ;
// 30秒后结束关闭任务,并且关闭Scheduler
scheduler.schedule ( new Runnable () {
public void run () {
beeperHandle.cancel ( true ) ;
beeperHandle2.cancel ( true ) ;
scheduler.shutdown () ;
}
} , 30 , SECONDS ) ;
}
}

为了退出进程,上面的代码中加入了关闭Scheduler的操作。而对于24小时运行的应用 而言,是没有必要关闭Scheduler的。

实 际应用中,有时候需要多个线程同时工作以完成同一件事情,而且在完成过程中,往往会等待其他线程都完成某一阶段后再执行,等所有线程都到达某一个阶段后再 统一执行。

比如有几个旅行团需要途经深圳、广州、韶关、长沙最后到达武汉。旅行团中有自驾游的,有徒步 的,有乘坐旅游大巴的;这些旅行团同时出发,并且每到一个目的地,都要等待其他旅行团到达此地后再同时出发,直到都到达终点站武汉。

这时候CyclicBarrier 就可以派上用场。CyclicBarrier最重要的属性就是参与者个数,另外最 要方法是await()。当所有线程都调用了await()后,就表示这些线程都可以继续执行,否则就会等待。

package concurrent;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class TestCyclicBarrier {
// 徒步需要的时间: Shenzhen, Guangzhou, Shaoguan, Changsha, Wuhan
private static int [] timeWalk = { 5 , 8 , 15 , 15 , 10 } ;
// 自驾游
private static int [] timeSelf = { 1 , 3 , 4 , 4 , 5 } ;
// 旅游大巴
private static int [] timeBus = { 2 , 4 , 6 , 6 , 7 } ;

static String now () {
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat ( “HH:mm:ss” ) ;
return sdf.format ( new Date ()) + “: “ ;
}

static class Tour implements Runnable {
private int [] times;
private CyclicBarrier barrier;
private String tourName;
public Tour ( CyclicBarrier barrier, String tourName, int [] times ) {
this .times = times;
this .tourName = tourName;
this .barrier = barrier;
}
public void run () {
try {
Thread.sleep ( times [ 0 ] * 1000 ) ;
System.out.println ( now () + tourName + ” Reached Shenzhen” ) ;
barrier.await () ;
Thread.sleep ( times [ 1 ] * 1000 ) ;
System.out.println ( now () + tourName + ” Reached Guangzhou” ) ;
barrier.await () ;
Thread.sleep ( times [ 2 ] * 1000 ) ;
System.out.println ( now () + tourName + ” Reached Shaoguan” ) ;
barrier.await () ;
Thread.sleep ( times [ 3 ] * 1000 ) ;
System.out.println ( now () + tourName + ” Reached Changsha” ) ;
barrier.await () ;
Thread.sleep ( times [ 4 ] * 1000 ) ;
System.out.println ( now () + tourName + ” Reached Wuhan” ) ;
barrier.await () ;
} catch ( InterruptedException e ) {
} catch ( BrokenBarrierException e ) {
}
}
}

public static void main ( String [] args ) {
// 三个旅行团
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier ( 3 ) ;
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool ( 3 ) ;
exec.submit ( new Tour ( barrier, “WalkTour” , timeWalk )) ;
exec.submit ( new Tour ( barrier, “SelfTour” , timeSelf )) ;
exec.submit ( new Tour ( barrier, “BusTour” , timeBus )) ;
exec.shutdown () ;
}
}

运行结果:
00:02:25: SelfTour Reached Shenzhen
00:02:25: BusTour Reached Shenzhen
00:02:27: WalkTour Reached Shenzhen
00:02:30: SelfTour Reached Guangzhou
00:02:31: BusTour Reached Guangzhou
00:02:35: WalkTour Reached Guangzhou
00:02:39: SelfTour Reached Shaoguan
00:02:41: BusTour Reached Shaoguan

发库中的BlockingQueue 是一个比较好玩的类,顾名思义,就是阻塞队列。该类主要提供了两个方法put() 和take(),前者将一个对象放到队列中,如果队列已经满了,就等待直到有空闲节点;后者从head取一个对象,如果没有对象,就等待直到有可取的对 象。

下面的例子比较简单,一个读线程,用于将要处理的文件对象添加到阻塞队列中,另外四个写线程 用于取出文件对象,为了模拟写操作耗时长的特点,特让线程睡眠一段随机长度的时间。另外,该Demo也使用到了线程池和原子整型 (AtomicInteger),AtomicInteger可以在并发情况下达到原子化更新,避免使用了synchronized,而且性能非常高。由 于阻塞队列的put和take操作会阻塞,为了使线程退出,特在队列中添加了一个“标识”,算法中也叫“哨兵”,当发现这个哨兵后,写线程就退出。

当然线程池也要显式退出了。

package concurrent;
import java.io.File;
import java.io.FileFilter;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TestBlockingQueue {
static long randomTime () {
return ( long ) ( Math.random () * 1000 ) ;
}

public static void main ( String [] args ) {
// 能容纳100个文件
final BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue ( 100 ) ;
// 线程池
final ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool ( 5 ) ;
final File root = new File ( “F://JavaLib” ) ;
// 完成标志
final File exitFile = new File ( “” ) ;
// 读个数
final AtomicInteger rc = new AtomicInteger () ;
// 写个数
final AtomicInteger wc = new AtomicInteger () ;
// 读线程
Runnable read = new Runnable () {
public void run () {
scanFile ( root ) ;
scanFile ( exitFile ) ;
}

public void scanFile ( File file ) {
if ( file.isDirectory ()) {
File [] files = file.listFiles ( new FileFilter () {
public boolean accept ( File pathname ) {
return pathname.isDirectory ()
|| pathname.getPath () .endsWith ( “.java” ) ;
}
}) ;
for ( File one : files )
scanFile ( one ) ;
} else {
try {
int index = rc.incrementAndGet () ;
System.out.println ( “Read0: ” + index + ” “
+ file.getPath ()) ;
queue.put ( file ) ;
} catch ( InterruptedException e ) {
}
}
}
} ;
exec.submit ( read ) ;
// 四个写线程
for ( int index = 0 ; index < 4 ; index++ ) {
// write thread
final int NO = index;
Runnable write = new Runnable () {
String threadName = “Write” + NO;
public void run () {
while ( true ) {
try {
Thread.sleep ( randomTime ()) ;
int index = wc.incrementAndGet () ;
File file = queue.take () ;
// 队列已经无对象
if ( file == exitFile ) {
// 再次添加”标志”,以让其他线程正常退出
queue.put ( exitFile ) ;
break ;
}
System.out.println ( threadName + “: ” + index + ” “
+ file.getPath ()) ;
} catch ( InterruptedException e ) {
}
}
}
} ;
exec.submit ( write ) ;
}
exec.shutdown () ;
}
}

 

 

名字可以看出,CountDownLatch 是一个倒数计数的锁,当倒数到0时触发事件,也就是开锁,其他人就可以进入了。 在一些应用场合中,需要等待某个条件达到要求后才能做后面的事情;同时当线程都完成后也会触发事件,以便进行后面的操作。

CountDownLatch最重要的方法是countDown()和await(),前者 主要是倒数一次,后者是等待倒数到0,如果没有到达0,就只有阻塞等待了。

一个CountDouwnLatch实例是不能重复使用的,也就是说它是一次性的,锁一经被 打开就不能再关闭使用了,如果想重复使用,请考虑使用CyclicBarrier 。

下面的例子简单的说明了CountDownLatch的使用方法,模拟了100米赛跑,10 名选手已经准备就绪,只等裁判一声令下。当所有人都到达终点时,比赛结束。

同样,线程池需要显式shutdown。

package concurrent;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class TestCountDownLatch {
public static void main ( String [] args ) throws InterruptedException {
// 开始的倒数锁
final CountDownLatch begin = new CountDownLatch ( 1 ) ;
// 结束的倒数锁
final CountDownLatch end = new CountDownLatch ( 10 ) ;
// 十名选手
final ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool ( 10 ) ;
for ( int index = 0 ; index < 10 ; index++ ) {
final int NO = index + 1 ;
Runnable run = new Runnable (){
public void run () {
try {
begin.await () ;
Thread.sleep (( long ) ( Math.random () * 10000 )) ;
System.out.println ( “No.” + NO + ” arrived” ) ;
} catch ( InterruptedException e ) {
} finally {
end.countDown () ;
}
}
} ;
exec.submit ( run ) ;
}
System.out.println ( “Game Start” ) ;
begin.countDown () ;
end.await () ;
System.out.println ( “Game Over” ) ;
exec.shutdown () ;
}
}

运行结果:
Game Start
No.4 arrived
No.1 arrived
No.7 arrived
No.9 arrived
No.3 arrived
No.2 arrived
No.8 arrived
No.10 arrived
No.6 arrived
No.5 arrived
Game Over

时候在实际应用中,某些操作很耗时,但 又不是不可或缺的步骤。比如用网页浏览器浏览新闻时,最重要的是要显示文字内容,至于与新闻相匹配的图片就没有那么重要的,所以此时首先保证文字信息先显 示,而图片信息会后显示,但又不能不显示,由于下载图片是一个耗时的操作,所以必须一开始就得下载。

Java的并发库 的Future 类就可以满足这个要求。Future的重要方法包括get()和cancel(),get()获 取数据对象,如果数据没有加载,就会阻塞直到取到数据,而 cancel()是取消数据加载。另外一个get(timeout)操作,表示如果在timeout时间内没有取到就失败返回,而不再阻塞。

下面的Demo简单的说明了Future的使用方法:一个非常耗时的操作必须一开始启动,但 又不能一直等待;其他重要的事情又必须做,等完成后,就可以做不重要的事情。

package concurrent;

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

public class TestFutureTask {
public static void main ( String [] args ) throws InterruptedException,
ExecutionException {
final ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool ( 5 ) ;
Callable call = new Callable () {
public String call () throws Exception {
Thread.sleep ( 1000 * 5 ) ;
return “Other less important but longtime things.” ;
}
} ;
Future task = exec.submit ( call ) ;
// 重要的事情
Thread.sleep ( 1000 * 3 ) ;
System.out.println ( “Let’s do important things.” ) ;
// 其他不重要的事情
String obj = task.get () ;
System.out.println ( obj ) ;
// 关闭线程池
exec.shutdown () ;
}
}

运行结果:
Let’s do important things.
Other less important but longtime things.

虑以下场景:浏览网页时,浏览器了5个 线程下载网页中的图片文件,由于图片大小、网站访问速度等诸多因素的影响,完成图片下载的时间就会有很大的不同。如果先下载完成的图片就会被先显示到界面 上,反之,后下载的图片就后显示。

Java的并发库 的CompletionService 可以满足这种场景要求。该接口有两个重要方法:submit()和 take()。submit用于提交一个runnable或者callable,一般会提交给一个线程池处理;而take就是取出已经执行完毕 runnable或者callable实例的Future对象,如果没有满足要求的,就等待了。 CompletionService还有一个对应的方法poll,该方法与take类似,只是不会等待,如果没有满足要求,就返回null对象。

package concurrent;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.CompletionService;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorCompletionService;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

public class TestCompletionService {
public static void main ( String [] args ) throws InterruptedException,
ExecutionException {
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool ( 10 ) ;
CompletionService serv =
new ExecutorCompletionService ( exec ) ;

for ( int index = 0 ; index < 5 ; index++ ) {
final int NO = index;
Callable downImg = new Callable () {
public String call () throws Exception {
Thread.sleep (( long ) ( Math.random () * 10000 )) ;
return “Downloaded Image ” + NO;
}
} ;
serv.submit ( downImg ) ;
}

Thread.sleep ( 1000 * 2 ) ;
System.out.println ( “Show web content” ) ;
for ( int index = 0 ; index < 5 ; index++ ) {
Future task = serv.take () ;
String img = task.get () ;
System.out.println ( img ) ;
}
System.out.println ( “End” ) ;
// 关闭线程池
exec.shutdown () ;
}
}

运行结果:
Show web content
Downloaded Image 1
Downloaded Image 2
Downloaded Image 4
Downloaded Image 0
Downloaded Image 3
End

操作系统的信号量是个很重要的概念,在进程控制方面都有应用。Java 并发库 的Semaphore 可以很轻松完成信号量控制,Semaphore可以控制某个资源可被同时访问的个 数,acquire()获取一个许可,如果没有就等待,而release()释放一个许可。比如在Windows下可以设置共享文件的最大客户端访问个 数。

Semaphore维护了当前访问的个数,提供同步机制,控制同时访问的个数。在数据结构中 链表可以保存“无限”的节点,用Semaphore可以实现有限大小的链表。另外重入锁ReentrantLock也可以实现该功能,但实现上要负责些, 代码也要复杂些。

下面的Demo中申明了一个只有5个许可的Semaphore,而有20个线程要访问这个资 源,通过acquire()和release()获取和释放访问许可。

package concurrent;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class TestSemaphore {
public static void main ( String [] args ) {
// 线程池
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool () ;
// 只能5个线程同时访问
final Semaphore semp = new Semaphore ( 5 ) ;
// 模拟20个客户端访问
for ( int index = 0 ; index < 20 ; index++ ) {
final int NO = index;
Runnable run = new Runnable () {
public void run () {
try {
// 获取许可
semp.acquire () ;
System.out.println ( “Accessing: ” + NO ) ;
Thread.sleep (( long ) ( Math.random () * 10000 )) ;
// 访问完后,释放
semp.release () ;
} catch ( InterruptedException e ) {
}
}
} ;
exec.execute ( run ) ;
}
// 退出线程池
exec.shutdown () ;
}
}

运行结果:
Accessing: 0
Accessing: 1
Accessing: 2
Accessing: 3
Accessing: 4
Accessing: 5
Accessing: 6
Accessing: 7
Accessing: 8
Accessing: 9
Accessing: 10
Accessing: 11
Accessing: 12
Accessing: 13
Accessing: 14
Accessing: 15
Accessing: 16
Accessing: 17
Accessing: 18
Accessing: 19

你可能感兴趣的:(semaphore,string,file,image,正则表达式,exception)