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基于Java回顾之多线程同步的使用详解

时间：2020-05-01 02:11 编辑：来源：阅读：
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摘要：基于Java回顾之多线程同步的使用详解

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。 [b]为什么要线程同步？[/b] 说到线程同步，大部分情况下，我们是在针对“[b]单对象多线程[/b]”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”。 [b]共享变量[/b] 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：

[url=http://www.1sucai.cn/article/36550.htm]基于Java回顾之网络通信的应用分析[/url]>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。

[u]复制代码[/u] 代码如下:

定义线程对象
 enum ThreadStatus
 {
     Initial,
     Running,
     Sleeping,
     Stopped
 }

 enum ThreadTask
 {
     Start,
     Stop,
     Sleep,
     Wakeup
 }

 
 class MyThread extends Thread
 {
     public ThreadStatus status = ThreadStatus.Initial;
     public ThreadTask task;
     public void run()
     {
         status = ThreadStatus.Running;
         while(true)
         {
             try {
                 Thread.sleep(3000);
                 if (status == ThreadStatus.Sleeping)
                 {
                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入休眠状态。");
                     this.wait();
                 }
             } catch (InterruptedException e) {
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运行过程中出现错误。");
                 status = ThreadStatus.Stopped;
             }
         }
     }
 }

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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

定义线程池管理对象
 class MyThreadManager
 {
     public static void manageThread(MyThread[] threads, ThreadTask task)
     {
         for (int i = 0; i < threads.length; i++)
         {
             synchronized(threads[i])
             {
                 manageThread(threads[i], task);
             }
         }
         System.out.println(getThreadStatus(threads));
     }

     public static void manageThread(MyThread thread, ThreadTask task)
     {
         if (task == ThreadTask.Start)
         {
             if (thread.status == ThreadStatus.Running)
             {
                 return;
             }
             if (thread.status == ThreadStatus.Stopped)
             {
                 thread = new MyThread();
             }
             thread.status = ThreadStatus.Running;
             thread.start();

         }
         else if (task == ThreadTask.Stop)
         {
             if (thread.status != ThreadStatus.Stopped)
             {
                 thread.interrupt();
                 thread.status = ThreadStatus.Stopped;
             }
         }
         else if (task == ThreadTask.Sleep)
         {
             thread.status = ThreadStatus.Sleeping;
         }
         else if (task == ThreadTask.Wakeup)
         {
             thread.notify();
             thread.status = ThreadStatus.Running;
         }
     }

     public static String getThreadStatus(MyThread[] threads)
     {
         StringBuffer sb = new StringBuffer();
         for (int i = 0; i < threads.length; i++)
         {
             sb.append(threads[i].getName() + "的状态：" + threads[i].status).append("\r\n");
         }
         return sb.toString();
     }
 }

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。

[u]复制代码[/u] 代码如下:

定义服务器端线程池对象
 public class MyThreadPool {

     public static void main(String[] args) throws IOException
     {
         MyThreadPool pool = new MyThreadPool(5);
     }

     private int threadCount;
     private MyThread[] threads = null;

    
     public MyThreadPool(int count) throws IOException
     {
         this.threadCount = count;
         threads = new MyThread[count];
         for (int i = 0; i < threads.length; i++)
         {
             threads[i] = new MyThread();
             threads[i].start();
         }
         Init();
     }

     private void Init() throws IOException
     {
         ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(5678);
         while(true)
         {
             final Socket socket = serverSocket.accept();
             Thread thread = new Thread()
             {
                 public void run()
                 {
                     try
                     {
                         System.out.println("检测到一个新的Socket连接。");
                         BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                         PrintStream ps = new PrintStream(socket.getOutputStream());
                         String line = null;
                         while((line = br.readLine()) != null)
                         {
                             System.out.println(line);
                             if (line.equals("Count"))
                             {
                                 System.out.println("线程池中有5个线程");
                             }
                             else if (line.equals("Status"))
                             {
                                 String status = MyThreadManager.getThreadStatus(threads);
                                 System.out.println(status);
                             }
                             else if (line.equals("StartAll"))
                             {
                                 MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Start);
                             }
                             else if (line.equals("StopAll"))
                             {
                                 MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Stop);
                             }
                             else if (line.equals("SleepAll"))
                             {
                                 MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Sleep);
                             }
                             else if (line.equals("WakeupAll"))
                             {
                                 MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Wakeup);
                             }
                             else if (line.equals("End"))
                             {
                                 break;
                             }
                             else
                             {
                                 System.out.println("Command:" + line);
                             }
                             ps.println("OK");
                             ps.flush();
                         }
                     }
                     catch(Exception ex)
                     {
                         ex.printStackTrace();
                     }
                 }
             };
             thread.start();
         }
     }
 }

[b]探索JDK中的concurrent工具包[/b] 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

[u]复制代码[/u] 代码如下:

定义Runnable对象
 class MyRunner implements Runnable
 {
     public void run() {
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行开始");
         for(int i = 0; i < 1; i++)
         {
             try
             {
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在运行");
                 Thread.sleep(200);
             }
             catch(Exception ex)
             {
                 ex.printStackTrace();
             }
         }
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行结束");
     }
 }

可以看出，它的功能非常简单，只是输出了线程的执行过程。 [b]ScheduledThreadPool[/b] 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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

ScheduledThreadPool示例
 private static void scheduledThreadPoolTest()
 {
     final ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(3);

     MyRunner runner = new MyRunner();

     final ScheduledFuture<?> handler1 = scheduler.scheduleAtFixedRate(runner, 1, 10, TimeUnit.SECONDS);
     final ScheduledFuture<?> handler2 = scheduler.scheduleWithFixedDelay(runner, 2, 10, TimeUnit.SECONDS);

     scheduler.schedule(new Runnable()
     {
         public void run()
         {
             handler1.cancel(true);
             handler2.cancel(true);
             scheduler.shutdown();
         }
     }, 30, TimeUnit.SECONDS
     );
 }

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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

FixedThreadPool示例
 private static void fixedThreadPoolTest()
 {
     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(3);
     for(int i = 0; i < 5; i++)
     {
         MyRunner runner = new MyRunner();
         exec.execute(runner);
     }
     exec.shutdown();
 }

注意它的输出结果：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

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-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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

CachedThreadPool示例
 private static void cachedThreadPoolTest()
 {
     ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
     for(int i = 0; i < 5; i++)
     {
         MyRunner runner = new MyRunner();
         exec.execute(runner);
     }
     exec.shutdown();
 }

它的执行结果如下：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

Callable示例
 private static void callableTest() throws InterruptedException, ExecutionException
 {
     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(1);
     Callable<String> call = new Callable<String>()
     {
         public String call()
         {
             return "Hello World.";
         }
     };
     Future<String> result = exec.submit(call);
     System.out.println("线程的返回值是" + result.get());
     exec.shutdown();
 }

执行结果如下：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

CompletionService示例
 private static void completionServiceTest() throws InterruptedException, ExecutionException
 {
     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
     CompletionService<String> service = new ExecutorCompletionService<String>(exec);
     for (int i = 0; i < 10; i++)
     {
         Callable<String> call = new Callable<String>()
         {
             public String call() throws InterruptedException
             {
                 return Thread.currentThread().getName();
             }
         };
         service.submit(call);
     }

     Thread.sleep(1000);
     for(int i = 0; i < 10; i++)
     {
         Future<String> result = service.take();
         System.out.println("线程的返回值是" + result.get());
     }
     exec.shutdown();
 }

执行结果如下：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

BlockingQueue示例
 public class BlockingQueueSample {

     public static void main(String[] args)
     {
         blockingQueueTest();
     }

     private static void blockingQueueTest()
     {
         final BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
         final int maxSleepTimeForSetter = 10;
         final int maxSleepTimerForGetter = 10;

         Runnable setter = new Runnable()
         {
             public void run()
             {
                 Random r = new Random();
                 while(true)
                 {
                     int value = r.nextInt(100);
                     try
                     {
                         queue.put(new Integer(value));
                         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---向队列中插入值" + value);
                         Thread.sleep(r.nextInt(maxSleepTimeForSetter) * 1000);
                     }
                     catch(Exception ex)
                     {
                         ex.printStackTrace();
                     }
                 }
             }
         };

         Runnable getter = new Runnable()
         {
             public void run()
             {
                 Random r = new Random();
                 while(true)
                 {
                     try
                     {
                         if (queue.size() == 0)
                         {
                             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---队列为空");
                         }
                         else
                         {
                             int value = queue.take().intValue();
                             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---从队列中获取值" + value);
                         }
                         Thread.sleep(r.nextInt(maxSleepTimerForGetter) * 1000);
                     }
                     catch(Exception ex)
                     {
                         ex.printStackTrace();
                     }
                 }
             }
         };

         ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(2);
         exec.execute(setter);
         exec.execute(getter);
     }
 }

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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

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。 [b]使用信号量来控制线程[/b] 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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

SemaPhore示例
 private static void semaphoreTest()
 {
     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
     final Semaphore semp = new Semaphore(2);

     for (int i = 0; i < 10; i++)
     {
         Runnable runner = new Runnable()
         {
             public void run()
             {
                 try
                 {
                     semp.acquire();
                     System.out.println(new Date() + " " + Thread.currentThread().getName() + "正在执行。");
                     Thread.sleep(5000);
                     semp.release();
                 }
                 catch(Exception ex)
                 {
                     ex.printStackTrace();
                 }
             }
         };
         exec.execute(runner);
     }

     exec.shutdown();
 }

执行结果如下：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

CyclicBarrier示例
 class MyRunner2 implements Runnable
 {
     private CyclicBarrier barrier = null;
     public MyRunner2(CyclicBarrier barrier)
     {
         this.barrier = barrier;
     }

     public void run() {
         Random r = new Random();
         try
         {
             for (int i = 0; i < 3; i++)
             {
                 Thread.sleep(r.nextInt(10) * 1000);
                 System.out.println(new Date() + "--" + Thread.currentThread().getName() + "--第" + (i + 1) + "次等待。");
                 barrier.await();
             }
         }
         catch(Exception ex)
         {
             ex.printStackTrace();
         }
     }

 }

 private static void cyclicBarrierTest()
 {
     CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);

     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(3);
     for (int i = 0; i < 3; i++)
     {
         exec.execute(new MyRunner2(barrier));
     }
     exec.shutdown();
 }

执行结果如下：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

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：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

CountDownLatch示例
 private static void countdownLatchTest() throws InterruptedException
 {
     final CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
     final CountDownLatch end = new CountDownLatch(5);
     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(5);
     for (int i = 0; i < 5; i++)
     {
         Runnable runner = new Runnable()
         {
             public void run()
             {
                 Random r = new Random();
                 try
                 {
                     begin.await();
                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行开始");
                     Thread.sleep(r.nextInt(10)*1000);
                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行结束");
                 }
                 catch(Exception ex)
                 {
                     ex.printStackTrace();
                 }
                 finally
                 {
                     end.countDown();
                 }
             }
         };
         exec.execute(runner);
     }
     begin.countDown();
     end.await();
     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行结束");
     exec.shutdown();
 }

执行结果如下：

[u]复制代码[/u] 代码如下:

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

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