教你java.util.concurrent多线程框架

　　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。

　　许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。

　　在实际应用中，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

　　并发库中的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();

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　　// 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();

　　}

　　}

　　从名字可以看出，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

　　有时候在实际应用中，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.

　　考虑以下场景：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