Java回顾之多线程同步

第一篇：Java回顾之I/O

第二篇：Java回顾之网络通信

第三篇：Java回顾之多线程

 

在这篇文章里，我们关注线程同步的话题。这是比多线程更复杂，稍不留意，我们就会“掉到坑里”，而且和单线程程序不同，多线程的错误是否每次都出现，也是不固定的，这给调试也带来了很大的挑战。

在这篇文章里，我们首先阐述什么是同步，不同步有什么问题，然后讨论可以采取哪些措施控制同步，接下来我们会仿照回顾网络通信时那样，构建一个服务器端的“线程池”，JDK为我们提供了一个很大的concurrent工具包，最后我们会对里面的内容进行探索。

为什么要线程同步？

说到线程同步，大部分情况下， 我们是在针对“单对象多线程”的情况进行讨论，一般会将其分成两部分，一部分是关于“共享变量”，一部分关于“执行步骤”。

共享变量

当我们在线程对象（Runnable）中定义了全局变量，run方法会修改该变量时，如果有多个线程同时使用该线程对象，那么就会造成全局变量的值被同时修改，造成错误。我们来看下面的代码：

共享变量造成同步问题

 1 class MyRunner implements Runnable
 2 {
 3     public int sum = 0;
 4     
 5     public void run() 
 6     {
 7         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
 8         for (int i = 1; i <= 100; i++)
 9         {
10             sum += i;
11         }
12         try {
13             Thread.sleep(500);
14         } catch (InterruptedException e) {
15             e.printStackTrace();
16         }
17         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + sum);
18         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
19     }
20 }
21 
22 
23 private static void sharedVaribleTest() throws InterruptedException
24 {
25     MyRunner runner = new MyRunner();
26     Thread thread1 = new Thread(runner);
27     Thread thread2 = new Thread(runner);
28     thread1.setDaemon(true);
29     thread2.setDaemon(true);
30     thread1.start();
31     thread2.start();
32     thread1.join();
33     thread2.join();
34 }

这个示例中，线程用来计算1到100的和是多少，我们知道正确结果是5050（好像是高斯小时候玩过这个？），但是上述程序返回的结果是10100，原因是两个线程同时对sum进行操作。

执行步骤

我们在多个线程运行时，可能需要某些操作合在一起作为“原子操作”，即在这些操作可以看做是“单线程”的，例如我们可能希望输出结果的样子是这样的：

1 线程1：步骤1
2 线程1：步骤2
3 线程1：步骤3
4 线程2：步骤1
5 线程2：步骤2
6 线程2：步骤3

如果同步控制不好，出来的样子可能是这样的：

线程1：步骤1
线程2：步骤1
线程1：步骤2
线程2：步骤2
线程1：步骤3
线程2：步骤3

这里我们也给出一个示例代码：

执行步骤混乱带来的同步问题

 1 class MyNonSyncRunner implements Runnable
 2 {
 3     public void run() {
 4         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
 5         for(int i = 1; i <= 5; i++)
 6         {
 7             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Running step " + i);
 8             try
 9             {
10                 Thread.sleep(50);
11             }
12             catch(InterruptedException ex)
13             {
14                 ex.printStackTrace();
15             }
16         }
17         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
18     }
19 }
20 
21 
22 private static void syncTest() throws InterruptedException
23 {
24     MyNonSyncRunner runner = new MyNonSyncRunner();
25     Thread thread1 = new Thread(runner);
26     Thread thread2 = new Thread(runner);
27     thread1.setDaemon(true);
28     thread2.setDaemon(true);
29     thread1.start();
30     thread2.start();
31     thread1.join();
32     thread2.join();
33 }

如何控制线程同步

既然线程同步有上述问题，那么我们应该如何去解决呢？针对不同原因造成的同步问题，我们可以采取不同的策略。

控制共享变量

我们可以采取3种方式来控制共享变量。

将“单对象多线程”修改成“多对象多线程”

上文提及，同步问题一般发生在“单对象多线程”的场景中，那么最简单的处理方式就是将运行模型修改成“多对象多线程”的样子，针对上面示例中的同步问题，修改后的代码如下：

解决共享变量问题方案一

 1 private static void sharedVaribleTest2() throws InterruptedException
 2 {
 3     Thread thread1 = new Thread(new MyRunner());
 4     Thread thread2 = new Thread(new MyRunner());
 5     thread1.setDaemon(true);
 6     thread2.setDaemon(true);
 7     thread1.start();
 8     thread2.start();
 9     thread1.join();
10     thread2.join();
11 }

我们可以看到，上述代码中两个线程使用了两个不同的Runnable实例，它们在运行过程中，就不会去访问同一个全局变量。

将“全局变量”降级为“局部变量”

既然是共享变量造成的问题，那么我们可以将共享变量改为“不共享”，即将其修改为局部变量。这样也可以解决问题，同样针对上面的示例，这种解决方式的代码如下：

解决共享变量问题方案二

 1 class MyRunner2 implements Runnable
 2 {
 3     public void run() 
 4     {
 5         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
 6         int sum = 0;
 7         for (int i = 1; i <= 100; i++)
 8         {
 9             sum += i;
10         }
11         try {
12             Thread.sleep(500);
13         } catch (InterruptedException e) {
14             e.printStackTrace();
15         }
16         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + sum);
17         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
18     }
19 }
20 
21 
22 private static void sharedVaribleTest3() throws InterruptedException
23 {
24     MyRunner2 runner = new MyRunner2();
25     Thread thread1 = new Thread(runner);
26     Thread thread2 = new Thread(runner);
27     thread1.setDaemon(true);
28     thread2.setDaemon(true);
29     thread1.start();
30     thread2.start();
31     thread1.join();
32     thread2.join();
33 }

我们可以看出，sum变量已经由全局变量变为run方法内部的局部变量了。

使用ThreadLocal机制

ThreadLocal是JDK引入的一种机制，它用于解决线程间共享变量，使用ThreadLocal声明的变量，即使在线程中属于全局变量，针对每个线程来讲，这个变量也是独立的。

我们可以用这种方式来改造上面的代码，如下所示：

解决共享变量问题方案三

 1 class MyRunner3 implements Runnable
 2 {
 3     public ThreadLocal<Integer> tl = new ThreadLocal<Integer>();
 4     
 5     public void run() 
 6     {
 7         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
 8         for (int i = 0; i <= 100; i++)
 9         {
10             if (tl.get() == null)
11             {
12                 tl.set(new Integer(0));
13             }
14             int sum = ((Integer)tl.get()).intValue();
15             sum+= i;
16             tl.set(new Integer(sum));
17             try {
18                 Thread.sleep(10);
19             } catch (InterruptedException e) {
20                 e.printStackTrace();
21             }
22         }
23         
24         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + ((Integer)tl.get()).intValue());
25         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
26     }
27 }
28 
29 
30 private static void sharedVaribleTest4() throws InterruptedException
31 {
32     MyRunner3 runner = new MyRunner3();
33     Thread thread1 = new Thread(runner);
34     Thread thread2 = new Thread(runner);
35     thread1.setDaemon(true);
36     thread2.setDaemon(true);
37     thread1.start();
38     thread2.start();
39     thread1.join();
40     thread2.join();
41 }

综上三种方案，第一种方案会降低多线程执行的效率，因此，我们推荐使用第二种或者第三种方案。

控制执行步骤

说到执行步骤，我们可以使用synchronized关键字来解决它。

执行步骤问题解决方案

 1 class MySyncRunner implements Runnable
 2 {
 3     public void run() {
 4         synchronized(this)
 5         {
 6             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
 7             for(int i = 1; i <= 5; i++)
 8             {
 9                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Running step " + i);
10                 try
11                 {
12                     Thread.sleep(50);
13                 }
14                 catch(InterruptedException ex)
15                 {
16                     ex.printStackTrace();
17                 }
18             }
19             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
20         }
21     }
22 }
23 
24 
25 private static void syncTest2() throws InterruptedException
26 {
27     MySyncRunner runner = new MySyncRunner();
28     Thread thread1 = new Thread(runner);
29     Thread thread2 = new Thread(runner);
30     thread1.setDaemon(true);
31     thread2.setDaemon(true);
32     thread1.start();
33     thread2.start();
34     thread1.join();
35     thread2.join();
36 }

在线程同步的话题上，synchronized是一个非常重要的关键字。它的原理和数据库中事务锁的原理类似。我们在使用过程中，应该尽量缩减synchronized覆盖的范围，原因有二：1）被它覆盖的范围是串行的，效率低；2）容易产生死锁。我们来看下面的示例：

synchronized示例

 1 private static void syncTest3() throws InterruptedException
 2 {
 3     final List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
 4     
 5     Thread thread1 = new Thread()
 6     {
 7         public void run()
 8         {
 9             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
10             Random r = new Random(100);
11             synchronized(list)
12             {
13                 for (int i = 0; i < 5; i++)
14                 {
15                     list.add(new Integer(r.nextInt()));
16                 }
17                 System.out.println("The size of list is " + list.size());
18             }
19             try
20             {
21                 Thread.sleep(500);
22             }
23             catch(InterruptedException ex)
24             {
25                 ex.printStackTrace();
26             }
27             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
28         }
29     };
30     
31     Thread thread2 = new Thread()
32     {
33         public void run()
34         {
35             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
36             Random r = new Random(100);
37             synchronized(list)
38             {
39                 for (int i = 0; i < 5; i++)
40                 {
41                     list.add(new Integer(r.nextInt()));
42                 }
43                 System.out.println("The size of list is " + list.size());
44             }
45             try
46             {
47                 Thread.sleep(500);
48             }
49             catch(InterruptedException ex)
50             {
51                 ex.printStackTrace();
52             }
53             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
54         }
55     };
56     
57     thread1.start();
58     thread2.start();
59     thread1.join();
60     thread2.join();
61 }

我们应该把需要同步的内容集中在一起，尽量不包含其他不相关的、消耗大量资源的操作，示例中线程休眠的操作显然不应该包括在里面。

构造线程池

我们在Java回顾之网络通信中，已经构建了一个Socket连接池，这里我们在此基础上，构建一个线程池，完成基本的启动、休眠、唤醒、停止操作。

基本思路还是以数组的形式保持一系列线程，通过Socket通信，客户端向服务器端发送命令，当服务器端接收到命令后，根据收到的命令对线程数组中的线程进行操作。

Socket客户端的代码保持不变，依然采用构建Socket连接池时的代码，我们主要针对服务器端进行改造。

首先，我们需要定义一个线程对象，它用来执行我们的业务操作，这里简化起见，只让线程进行休眠。

定义线程对象

 1 enum ThreadStatus
 2 {
 3     Initial,
 4     Running,
 5     Sleeping,
 6     Stopped
 7 }
 8 
 9 enum ThreadTask
10 {
11     Start,
12     Stop,
13     Sleep,
14     Wakeup
15 }
16 
17 
18 class MyThread extends Thread
19 {
20     public ThreadStatus status = ThreadStatus.Initial;
21     public ThreadTask task;
22     public void run()
23     {
24         status = ThreadStatus.Running;
25         while(true)
26         {
27             try {
28                 Thread.sleep(3000);
29                 if (status == ThreadStatus.Sleeping)
30                 {
31                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入休眠状态。");
32                     this.wait();
33                 }
34             } catch (InterruptedException e) {
35                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运行过程中出现错误。");
36                 status = ThreadStatus.Stopped;
37             }
38         }
39     }
40 }

然后，我们需要定义一个线程管理器，它用来对线程池中的线程进行管理，代码如下：

定义线程池管理对象

 1 class MyThreadManager
 2 {
 3     public static void manageThread(MyThread[] threads, ThreadTask task)
 4     {
 5         for (int i = 0; i < threads.length; i++)
 6         {
 7             synchronized(threads[i])
 8             {
 9                 manageThread(threads[i], task);
10             }
11         }
12         System.out.println(getThreadStatus(threads));
13     }
14     
15     public static void manageThread(MyThread thread, ThreadTask task)
16     {
17         if (task == ThreadTask.Start)
18         {
19             if (thread.status == ThreadStatus.Running)
20             {
21                 return;
22             }
23             if (thread.status == ThreadStatus.Stopped)
24             {
25                 thread = new MyThread();
26             }
27             thread.status = ThreadStatus.Running;
28             thread.start();
29             
30         }
31         else if (task == ThreadTask.Stop)
32         {
33             if (thread.status != ThreadStatus.Stopped)
34             {
35                 thread.interrupt();
36                 thread.status = ThreadStatus.Stopped;
37             }
38         }
39         else if (task == ThreadTask.Sleep)
40         {
41             thread.status = ThreadStatus.Sleeping;
42         }
43         else if (task == ThreadTask.Wakeup)
44         {
45             thread.notify();
46             thread.status = ThreadStatus.Running;
47         }
48     }
49     
50     public static String getThreadStatus(MyThread[] threads)
51     {
52         StringBuffer sb = new StringBuffer();
53         for (int i = 0; i < threads.length; i++)
54         {
55             sb.append(threads[i].getName() + "的状态：" + threads[i].status).append("\r\n");
56         }
57         return sb.toString();
58     }
59 }

最后，是我们的服务器端，它不断接受客户端的请求，每收到一个连接请求，服务器端会新开一个线程，来处理后续客户端发来的各种操作指令。

定义服务器端线程池对象

 1 public class MyThreadPool {
 2 
 3     public static void main(String[] args) throws IOException
 4     {
 5         MyThreadPool pool = new MyThreadPool(5);
 6     }
 7     
 8     private int threadCount;
 9     private MyThread[] threads = null;
10     
11     
12     public MyThreadPool(int count) throws IOException
13     {
14         this.threadCount = count;
15         threads = new MyThread[count];
16         for (int i = 0; i < threads.length; i++)
17         {
18             threads[i] = new MyThread();
19             threads[i].start();
20         }
21         Init();
22     }
23     
24     private void Init() throws IOException
25     {
26         ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(5678);
27         while(true)
28         {
29             final Socket socket = serverSocket.accept();
30             Thread thread = new Thread()
31             {
32                 public void run()
33                 {
34                     try
35                     {
36                         System.out.println("检测到一个新的Socket连接。");
37                         BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
38                         PrintStream ps = new PrintStream(socket.getOutputStream());
39                         String line = null;
40                         while((line = br.readLine()) != null)
41                         {
42                             System.out.println(line);
43                             if (line.equals("Count"))
44                             {
45                                 System.out.println("线程池中有5个线程");
46                             }
47                             else if (line.equals("Status"))
48                             {
49                                 String status = MyThreadManager.getThreadStatus(threads);
50                                 System.out.println(status);
51                             }
52                             else if (line.equals("StartAll"))
53                             {
54                                 MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Start);
55                             }
56                             else if (line.equals("StopAll"))
57                             {
58                                 MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Stop);
59                             }
60                             else if (line.equals("SleepAll"))
61                             {
62                                 MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Sleep);
63                             }
64                             else if (line.equals("WakeupAll"))
65                             {
66                                 MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Wakeup);
67                             }
68                             else if (line.equals("End"))
69                             {
70                                 break;
71                             }
72                             else
73                             {
74                                 System.out.println("Command:" + line);
75                             }
76                             ps.println("OK");
77                             ps.flush();
78                         }
79                     }
80                     catch(Exception ex)
81                     {
82                         ex.printStackTrace();
83                     }
84                 }
85             };
86             thread.start();
87         }
88     }
89 }

探索JDK中的concurrent工具包

为了简化开发人员在进行多线程开发时的工作量，并减少程序中的bug，JDK提供了一套concurrent工具包，我们可以用它来方便的开发多线程程序。

线程池

我们在上面实现了一个非常“简陋”的线程池，concurrent工具包中也提供了线程池，而且使用非常方便。

concurrent工具包中的线程池分为3类：ScheduledThreadPool、FixedThreadPool和CachedThreadPool。

首先我们来定义一个Runnable的对象

定义Runnable对象

 1 class MyRunner implements Runnable
 2 {
 3     public void run() {
 4         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行开始");
 5         for(int i = 0; i < 1; i++)
 6         {
 7             try
 8             {
 9                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在运行");
10                 Thread.sleep(200);
11             }
12             catch(Exception ex)
13             {
14                 ex.printStackTrace();
15             }
16         }
17         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行结束");
18     }
19 }

可以看出，它的功能非常简单，只是输出了线程的执行过程。

ScheduledThreadPool

这和我们平时使用的ScheduledTask比较类似，或者说很像Timer，它可以使得一个线程在指定的一段时间内开始运行，并且在间隔另外一段时间后再次运行，直到线程池关闭。

示例代码如下：

ScheduledThreadPool示例

 1 private static void scheduledThreadPoolTest()
 2 {
 3     final ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(3);
 4     
 5     MyRunner runner = new MyRunner();
 6     
 7     final ScheduledFuture<?> handler1 = scheduler.scheduleAtFixedRate(runner, 1, 10, TimeUnit.SECONDS);
 8     final ScheduledFuture<?> handler2 = scheduler.scheduleWithFixedDelay(runner, 2, 10, TimeUnit.SECONDS);
 9     
10     scheduler.schedule(new Runnable()
11     {
12         public void run()
13         {
14             handler1.cancel(true);
15             handler2.cancel(true);
16             scheduler.shutdown();
17         }
18     }, 30, TimeUnit.SECONDS
19     );
20 }

FixedThreadPool

这是一个指定容量的线程池，即我们可以指定在同一时间，线程池中最多有多个线程在运行，超出的线程，需要等线程池中有空闲线程时，才能有机会运行。

来看下面的代码：

FixedThreadPool示例

 1 private static void fixedThreadPoolTest()
 2 {
 3     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(3);
 4     for(int i = 0; i < 5; i++)
 5     {
 6         MyRunner runner = new MyRunner();
 7         exec.execute(runner);
 8     }
 9     exec.shutdown();
10 }

注意它的输出结果：

pool-1-thread-1运行开始
pool-1-thread-1正在运行
pool-1-thread-2运行开始
pool-1-thread-2正在运行
pool-1-thread-3运行开始
pool-1-thread-3正在运行
pool-1-thread-1运行结束
pool-1-thread-1运行开始
pool-1-thread-1正在运行
pool-1-thread-2运行结束
pool-1-thread-2运行开始
pool-1-thread-2正在运行
pool-1-thread-3运行结束
pool-1-thread-1运行结束
pool-1-thread-2运行结束

可以看到从始至终，最多有3个线程在同时运行。

CachedThreadPool

这是另外一种线程池，它不需要指定容量，只要有需要，它就会创建新的线程。

它的使用方式和FixedThreadPool非常像，来看下面的代码：

CachedThreadPool示例

 1 private static void cachedThreadPoolTest()
 2 {
 3     ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
 4     for(int i = 0; i < 5; i++)
 5     {
 6         MyRunner runner = new MyRunner();
 7         exec.execute(runner);
 8     }
 9     exec.shutdown();
10 }

它的执行结果如下：

pool-1-thread-1运行开始
pool-1-thread-1正在运行
pool-1-thread-2运行开始
pool-1-thread-2正在运行
pool-1-thread-3运行开始
pool-1-thread-3正在运行
pool-1-thread-4运行开始
pool-1-thread-4正在运行
pool-1-thread-5运行开始
pool-1-thread-5正在运行
pool-1-thread-1运行结束
pool-1-thread-2运行结束
pool-1-thread-3运行结束
pool-1-thread-4运行结束
pool-1-thread-5运行结束

可以看到，它创建了5个线程。

处理线程返回值

在有些情况下，我们需要使用线程的返回值，在上述的所有代码中，线程这是执行了某些操作，没有任何返回值。

如何做到这一点呢？我们可以使用JDK中的Callable<T>和CompletionService<T>，前者返回单个线程的结果，后者返回一组线程的结果。

返回单个线程的结果

还是直接看代码吧：

Callable示例

 1 private static void callableTest() throws InterruptedException, ExecutionException
 2 {
 3     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(1);
 4     Callable<String> call = new Callable<String>()
 5     {
 6         public String call()
 7         {
 8             return "Hello World.";
 9         }
10     };
11     Future<String> result = exec.submit(call);
12     System.out.println("线程的返回值是" + result.get());
13     exec.shutdown();
14 }

执行结果如下：

线程的返回值是Hello World.

返回线程池中每个线程的结果

这里需要使用CompletionService<T>，代码如下：

CompletionService示例

 1 private static void completionServiceTest() throws InterruptedException, ExecutionException
 2 {
 3     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
 4     CompletionService<String> service = new ExecutorCompletionService<String>(exec);
 5     for (int i = 0; i < 10; i++)
 6     {
 7         Callable<String> call = new Callable<String>()
 8         {
 9             public String call() throws InterruptedException
10             {
11                 return Thread.currentThread().getName();
12             }
13         };
14         service.submit(call);
15     }
16     
17     Thread.sleep(1000);
18     for(int i = 0; i < 10; i++)
19     {
20         Future<String> result = service.take();
21         System.out.println("线程的返回值是" + result.get());
22     }
23     exec.shutdown();
24 }

执行结果如下：

线程的返回值是pool-2-thread-1
线程的返回值是pool-2-thread-2
线程的返回值是pool-2-thread-3
线程的返回值是pool-2-thread-5
线程的返回值是pool-2-thread-4
线程的返回值是pool-2-thread-6
线程的返回值是pool-2-thread-8
线程的返回值是pool-2-thread-7
线程的返回值是pool-2-thread-9
线程的返回值是pool-2-thread-10

实现生产者-消费者模型

对于生产者-消费者模型来说，我们应该都不会陌生，通常我们都会使用某种数据结构来实现它。在concurrent工具包中，我们可以使用BlockingQueue来实现生产者-消费者模型，如下：

BlockingQueue示例

 1 public class BlockingQueueSample {
 2 
 3     public static void main(String[] args)
 4     {
 5         blockingQueueTest();
 6     }
 7     
 8     private static void blockingQueueTest()
 9     {
10         final BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
11         final int maxSleepTimeForSetter = 10;
12         final int maxSleepTimerForGetter = 10;
13         
14         Runnable setter = new Runnable()
15         {
16             public void run()
17             {
18                 Random r = new Random();
19                 while(true)
20                 {
21                     int value = r.nextInt(100);
22                     try
23                     {
24                         queue.put(new Integer(value));
25                         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---向队列中插入值" + value);
26                         Thread.sleep(r.nextInt(maxSleepTimeForSetter) * 1000);
27                     }
28                     catch(Exception ex)
29                     {
30                         ex.printStackTrace();
31                     }
32                 }
33             }
34         };
35         
36         Runnable getter = new Runnable()
37         {
38             public void run()
39             {
40                 Random r = new Random();
41                 while(true)
42                 {
43                     try
44                     {
45                         if (queue.size() == 0)
46                         {
47                             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---队列为空");
48                         }
49                         else
50                         {
51                             int value = queue.take().intValue();
52                             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---从队列中获取值" + value);
53                         }
54                         Thread.sleep(r.nextInt(maxSleepTimerForGetter) * 1000);
55                     }
56                     catch(Exception ex)
57                     {
58                         ex.printStackTrace();
59                     }
60                 }
61             }
62         };
63         
64         ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(2);
65         exec.execute(setter);
66         exec.execute(getter);
67     }
68 }

我们定义了两个线程，一个线程向Queue中添加数据，一个线程从Queue中取数据。我们可以通过控制maxSleepTimeForSetter和maxSleepTimerForGetter的值，来使得程序得出不同的结果。

可能的执行结果如下：

pool-1-thread-1---向队列中插入值88
pool-1-thread-2---从队列中获取值88
pool-1-thread-1---向队列中插入值75
pool-1-thread-2---从队列中获取值75
pool-1-thread-2---队列为空
pool-1-thread-2---队列为空
pool-1-thread-2---队列为空
pool-1-thread-1---向队列中插入值50
pool-1-thread-2---从队列中获取值50
pool-1-thread-2---队列为空
pool-1-thread-2---队列为空
pool-1-thread-2---队列为空
pool-1-thread-2---队列为空
pool-1-thread-2---队列为空
pool-1-thread-1---向队列中插入值51
pool-1-thread-1---向队列中插入值92
pool-1-thread-2---从队列中获取值51
pool-1-thread-2---从队列中获取值92

因为Queue中的值和Thread的休眠时间都是随机的，所以执行结果也不是固定的。

使用信号量来控制线程

JDK提供了Semaphore来实现“信号量”的功能，它提供了两个方法分别用于获取和释放信号量：acquire和release，示例代码如下：

SemaPhore示例

 1 private static void semaphoreTest()
 2 {
 3     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
 4     final Semaphore semp = new Semaphore(2);
 5     
 6     for (int i = 0; i < 10; i++)
 7     {
 8         Runnable runner = new Runnable()
 9         {
10             public void run()
11             {
12                 try
13                 {
14                     semp.acquire();
15                     System.out.println(new Date() + " " + Thread.currentThread().getName() + "正在执行。");
16                     Thread.sleep(5000);
17                     semp.release();
18                 }
19                 catch(Exception ex)
20                 {
21                     ex.printStackTrace();
22                 }
23             }
24         };
25         exec.execute(runner);
26     }
27     
28     exec.shutdown();
29 }

执行结果如下：

Tue May 07 11:22:11 CST 2013 pool-1-thread-1正在执行。
Tue May 07 11:22:11 CST 2013 pool-1-thread-2正在执行。
Tue May 07 11:22:17 CST 2013 pool-1-thread-3正在执行。
Tue May 07 11:22:17 CST 2013 pool-1-thread-4正在执行。
Tue May 07 11:22:22 CST 2013 pool-1-thread-5正在执行。
Tue May 07 11:22:22 CST 2013 pool-1-thread-6正在执行。
Tue May 07 11:22:27 CST 2013 pool-1-thread-7正在执行。
Tue May 07 11:22:27 CST 2013 pool-1-thread-8正在执行。
Tue May 07 11:22:32 CST 2013 pool-1-thread-10正在执行。
Tue May 07 11:22:32 CST 2013 pool-1-thread-9正在执行。

可以看出，尽管线程池中创建了10个线程，但是同时运行的，只有2个线程。

控制线程池中所有线程的执行步骤

在前面，我们已经提到，可以用synchronized关键字来控制单个线程中的执行步骤，那么如果我们想要对线程池中的所有线程的执行步骤进行控制的话，应该如何实现呢？

我们有两种方式，一种是使用CyclicBarrier，一种是使用CountDownLatch。

CyclicBarrier使用了类似于Object.wait的机制，它的构造函数中需要接收一个整型数字，用来说明它需要控制的线程数目，当在线程的run方法中调用它的await方法时，它会保证所有的线程都执行到这一步，才会继续执行后面的步骤。

示例代码如下：

CyclicBarrier示例

 1 class MyRunner2 implements Runnable
 2 {
 3     private CyclicBarrier barrier = null;
 4     public MyRunner2(CyclicBarrier barrier)
 5     {
 6         this.barrier = barrier;
 7     }
 8     
 9     public void run() {
10         Random r = new Random();
11         try
12         {
13             for (int i = 0; i < 3; i++)
14             {
15                 Thread.sleep(r.nextInt(10) * 1000);
16                 System.out.println(new Date() + "--" + Thread.currentThread().getName() + "--第" + (i + 1) + "次等待。");
17                 barrier.await();
18             }
19         }
20         catch(Exception ex)
21         {
22             ex.printStackTrace();
23         }
24     }
25     
26 }
27 
28 private static void cyclicBarrierTest()
29 {
30     CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);
31     
32     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(3);
33     for (int i = 0; i < 3; i++)
34     {
35         exec.execute(new MyRunner2(barrier));
36     }
37     exec.shutdown();
38 }

执行结果如下：

Tue May 07 11:31:20 CST 2013--pool-1-thread-2--第1次等待。
Tue May 07 11:31:21 CST 2013--pool-1-thread-3--第1次等待。
Tue May 07 11:31:24 CST 2013--pool-1-thread-1--第1次等待。
Tue May 07 11:31:24 CST 2013--pool-1-thread-1--第2次等待。
Tue May 07 11:31:26 CST 2013--pool-1-thread-3--第2次等待。
Tue May 07 11:31:30 CST 2013--pool-1-thread-2--第2次等待。
Tue May 07 11:31:32 CST 2013--pool-1-thread-1--第3次等待。
Tue May 07 11:31:33 CST 2013--pool-1-thread-3--第3次等待。
Tue May 07 11:31:33 CST 2013--pool-1-thread-2--第3次等待。

可以看出，thread-2到第1次等待点时，一直等到thread-1到达后才继续执行。

CountDownLatch则是采取类似”倒计时计数器”的机制来控制线程池中的线程，它有CountDown和Await两个方法。示例代码如下：

CountDownLatch示例

 1 private static void countdownLatchTest() throws InterruptedException
 2 {
 3     final CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
 4     final CountDownLatch end = new CountDownLatch(5);
 5     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(5);
 6     for (int i = 0; i < 5; i++)
 7     {
 8         Runnable runner = new Runnable()
 9         {
10             public void run()
11             {
12                 Random r = new Random();
13                 try
14                 {
15                     begin.await();
16                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行开始");
17                     Thread.sleep(r.nextInt(10)*1000);
18                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行结束");
19                 }
20                 catch(Exception ex)
21                 {
22                     ex.printStackTrace();
23                 }
24                 finally
25                 {
26                     end.countDown();
27                 }
28             }
29         };
30         exec.execute(runner);
31     }
32     begin.countDown();
33     end.await();
34     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行结束");
35     exec.shutdown();
36 }

执行结果如下：

pool-1-thread-1运行开始
pool-1-thread-5运行开始
pool-1-thread-2运行开始
pool-1-thread-3运行开始
pool-1-thread-4运行开始
pool-1-thread-2运行结束
pool-1-thread-1运行结束
pool-1-thread-3运行结束
pool-1-thread-5运行结束
pool-1-thread-4运行结束
main运行结束