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Java并发:线程基础

21.1小节:为什么要学习并发?

总结起来就是两点:

速度非常容易理解,我举个例子就可以说明问题:

现在你是《仙剑奇侠传》的主程,需要在用户开大游戏时,渲染一副非常美丽的场景。如下图所示:有花、有草、天空、人物等等,这些物体在程序中就是一个个独立的数据结构(本质就是不同的像素点集合)。你需要按照一定的顺序将它们渲染出来(比如先渲染人物、然后是大地、然后是花花草草、然后是天空、然后是光线等等)。你会如何初始化?先自己思考1分钟。

如果让一个初学者回答,一般而言会按照这个物体在游戏中的重要程度一个一个按顺序渲染,而这个想法就是顺序编程的思维。那么,问题来了:挖掘机……噗,不对,假如每个物体的渲染速度都为10ms,刚才那些元素总和为1000个。那么,等用户可以看到完整的效果就需要10s,10s 是什么概念?想想平时打开网页,如果超过5s 还没有内容,你是不是立即就关闭了?那么这里的10s 简直就是不可理喻。

而这就是并发要解决的第一个问题:速度,或者称为性能

现在一个高手来了,它将这1000个元素按照重要程度做一个排序(当然,这都是离线搞好的),然后“同时”去完成 N(假如为10) 个元素的渲染。那么,看到完整的效果就需要1s。为什么可以这样做呢?因为现在机器无论是 Server 端还是 Client 端,都有2-8核的处理器,只要我们充分压榨它们的性能,就能让程序跑的更快。当然,这个例子是最最最最简单的,而且它有个重要特征就是每个元素都是独立的。如果它们之间有关联,情况就会更复杂,后面我们再讨论

速度问题说过了,再说下设计可管理性。那么,什么是设计可管理性呢?

仔细看了21.1.2小节,但是讲的很晦涩。我尝试着说下自己的看法吧。设计可管理性可以认为是程序的结构。比如广泛使用的消息系统,一个 server,多个 client。如果你不使用并发,先给 client1发送消息,然后 client2……但是如果在这个期间clientN 对刚才那个消息的内容做了改变怎么办?还是举个例子:

最典型的是扣费系统,现在 server 总余额是1000,10个 client,server 计算后决定给每个 client分100。但是client6没分到钱之前余额花光了,它现在要花费180,你分给100肯定不够。那么,server 如何办??是重新收回前面 client 分到的钱还是忽略client6的请求,继续给100?

这个问题相当头疼,因为这样你需要在服务器端写很多繁琐的代码。但是如果有了并发,你可以在让不同的线程负责不同的模块,比如有个线程专门处理分开过程中 client 的响应,然后更改总余额。比如刚才的例子,如果 client 在分开过程中请求说“我需要180”,这个线程会根据情况(server 这次都给100,client6要180),那么我就可以多给 client6一点,少给后面一点。如果后面不够,我再从前面匀一点出来。

总之,有了并发。可以让程序的组织更加简单且具有伸缩性。当然,这些是我的片面理解,不一定正确。如果你对这块有更深入的了解,欢迎指正~~~~~

21.2小节:并发的最基本使用

上面解答了并发的好处,那么将下来就要讲讲如何使用并发。而第21.2小节其实就是讲解如何使用并发的。show time…

1. 定义任务

线程是用来干活的,那么你需要跟线程说“线程,你把这些活做一下。”——描述线程需要做什么东西的过程,就是定义任务。这可以由实现 Runnable 接口中的 run()方法来实现。下面是例子:

public class LiftOff implements Runnable { // 实现 Runnable 接口

	protected int countDown = 10; //Default
	private static int taskCount = 0;
	private final int id = taskCount++;
	public LiftOff() {}
	public LiftOff(int countDown) {
		this.countDown = countDown;
	}
	
	public String status() {
		return "#Thread id: " + id + ", time: " + (countDown > 0 ? countDown : "Liftoff!");
	}
	
	@Override
	public void run() { // 定义需要做的任务
		while(countDown-- > 0) {
		System.out.println(status());
		Thread.yield();
		}
	}
}

Tips:

Thread.yield()需要解释一下,它是对线程调度器(Java 线程机制的一部分,可以将 CPU 从一个线程转移到另一个线程)的一种建议,它在声明:”我已经执行完生命周期中最重要的部分了,此刻可以切换给别的任务,让它们执行吧(我不知道它们重要的部分有没有执行)。”但是这是一种建议,线程调度器不一定会执行(还记得吗,finalize() 方法也不保证一定执行,原因忘了的可以再去翻翻)

这里有必要说明一下任务和线程的概念:

任务和线程是各自独立的。在刚才的 demo 中,我们实现了 Runnable 接口,并重写了 run()方法,但这只是定义任务,和线程没有任何关系。要实现线程行为,必须显式地将一个任务附着到线程上。具体的区别请学习21.2.10小节,P669页。下面是我对21.2.10小节的总结:

任务就是描述这个工作怎样做才能完成,而线程相当于一个工人,它只负责机械地执行交给他的任务。从宏观上看,任务是我们占主导的,而线程则是一个黑盒,我们只能把任务提交,至于他怎么干活我们是不知道的。所以,在描述如何执行工作时,我们使用术语——任务;在引用到驱动任务的具体机制时,才使用术语——线程。在99.9%的情况下,我们根本就不需要提到线程,因为 Executor 就可以帮我们管理一切线程工作。我们只需要关注如何描述任务即可。

Tips:

因为 Java 的线程机制是基于来自 C 语言的低级 p 线程方式(pthread 和 fork),所以最好去学习一下 pthread 的相关知识。

2. Thread 类

将 Runnable 定义的任务依附到线程的一般做法是把它提交给一个 Thread 构造器。下面是例子:

public class BasicThreads {
	public static void main(String[] args) {
		Thread thread = new Thread(new LiftOff());
		thread.start();
		System.out.println("Waiting for LiftOff");
	}
}

Thread 构造器只需要一个 Runnable 对象。调用 start()方法为该线程执行必需的初始化操作,然后调用 Runnable 接口的 run()方法,以便在这个新线程中启动该任务。注意执行结果,在 start()方法执行时,虽然调用了 run()方法,但是 start()迅速返回了(先输出了 Waiting for LiftOff),这是因为:main()方法是一个线程,LiftOff.run()是新建的另外一个线程,所以两个线程可以同时执行

思考:直接使用new LiftOff().start()可以启动新的线程吗?

3. 使用 Executor 管理 Thread

java.util.concurrent 中的执行器(Executor)将为你管理 Thread 对象,从而简化了并发编程。什么意思呢?

本来任务需要提交给 Thread 才能执行,但是任务比较多的情况下,Thread 也相应的有很多,不容易进行统一的管理。基于这种情况,Java 提供了 concurrent 包中的 Executor。它其实就是任务和运行线程的客户端的一个中介。因为它管理了 Thread 对象,所以即使有多个任务,都可以统一由 Executor 来管理相应的 Thread 对象。非常常见的情况是,单个的 Executor 被用来创建和管理系统中所有的任务

下面举个例子来说明吧。在完全使用 Thread 的时候:

public class MoreBasicThreads {
	public static void main(String[] args) {
		for(int i = 0; i < 5; i++) {
			new Thread(new LiftOff()).start();
		}
		System.out.println("Waiting for LiftOff");
	}
}

如果现在出现意外状况,需要把线程全部关闭。那么你必须对5个Thread 对象进行操作。推而广之,越多的任务会带来更高的后续代价。但是我们尝试用 Executor 来完成同样的工作:

public class CachedThreadPool {
  public static void main(String[] args) {
	ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
	for(int i = 0; i < 5; i++) {
	  exec.execute(new LiftOff());
	}
	exec.shutdown();
  }
}

我们可以看到,我们拿到一个 ExecutorService 来管理所有的 Thread 对象,在执行完所有的任务后,只需要调用一个 shutdown()即可关闭所有管理的 Thread 对象,非常优雅。

总结一下,Executor 管理的 Thread 中,常见的类型有:

4. 任务有返回值?Callable 接口来帮忙!

从标题我们就掌握了这一个小节,因为 Runnable 需要重写的 run()方法返回值是 void,所以有返回值的情况,使用 Callable 接口的 call()即可。有2点需要注意:

一个例子:

import java.util.ArrayList;
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;

class TaskWithResult implements Callable<String> {

  private int id;

  public TaskWithResult(int id) {
	this.id = id;
  }

  @Override
  public String call() {
	return "result of TaskWithResult: " + id;
  }
}

public class CallableDemo {
  public static void main(String[] args) {
	ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
	ArrayList<Future<String>> result = new ArrayList<Future<String>>();
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
	  result.add(exec.submit(new TaskWithResult(i)));
	}
	
	for(Future<String> fs : result) {
	  try {
		System.out.println(fs.get());
	  } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
		// TODO Auto-generated catch block
		e.printStackTrace();
	  } finally {
		exec.shutdown();
	  }
	}
  }
}/*output:
result of TaskWithResult: 0
result of TaskWithResult: 1
result of TaskWithResult: 2
result of TaskWithResult: 3
result of TaskWithResult: 4
result of TaskWithResult: 5
result of TaskWithResult: 6
result of TaskWithResult: 7
result of TaskWithResult: 8
result of TaskWithResult: 9
*/

这段代码非常好懂,但是可能多了个 Future 对象,我来解释一下。

ExecutorService.submit()方法会返回 Future 对象,它用 Callable 返回结果的特定类型进行了参数化。可以用 isDone()来查询 Future 是否完成——当任务完成时,它具有一个结果,可以调用 get()方法来获取该结果;如果不使用 isDone()而是直接用 get()去拿结果,那么在结果没有返回的这段时间内,get()将阻塞,直至结果返回。通常情况下,可以使用 isDone()或者具有超时时间的 get()来查询该任务是否完成。

5. 线程干活累了,想睡会

这个直接上例子:

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

public class SleepingTask extends LiftOff {
  @Override
  public void run() {
	try {
	  while(countDown-- > 0) {
		System.out.println(status());
		// Old-style:
		// Thread.sleep(100);
		// Java SE5/6-style:
		TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
	  }
	} catch(InterruptedException e) {
	  System.err.println("Interrupted");
	}
  }
  
  public static void main(String[] args) {
	ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
	for(int i = 0; i < 5; i++) {
	  exec.execute(new SleepingTask());
	}
	System.out.println("Waiting For LiftOff");
	exec.shutdown();
  }
}

这里需要注意的有两点:

6. 让步

前面有个地方提到了Thread.yield(),这里具体说明一下这个方法的使用场景和需要注意的地方。

如果知道已经完成了在 run()方法的循环中的一次迭代过程中所需的工作,就可以给线程调度机制一个暗示:我的工作已经差不多了,可以让别的线程使用 CPU 了。这个暗示将通过调用 yield()方法来作出(不过这只是一个提示,没有任何机制保证它将会被采纳)。当调用 yield()时,其实是在建议线程调度器去调度具有相同优先级的其他线程工作。 但是大体上,对于任何重要的控制或在调整应用时,都不能依赖 yield()。实际上,yied()经常被误用。所以使用的时候一定要非常谨慎!

7. 后台线程

这个作者在总结中明确指出“后台线程几乎不是一种好的思想,非后台的 Executor 通常是一种更好的方式,因为 Executor 控制的所有任务可以同时被管理”。顾名思义,后台线程就是在后台运行的。类似 shell 的 &,更严谨的定义是这样的:

后台线程是指在程序运行的时候在后台提供一种通用服务的线程,并且这种线程并不属于程序中不可或缺的部分(意思是非必要)。因此,当所有的非后台线程结束时,程序也就终止了,同时会杀死进程中的所有后台线程。所以,只要有任何非后台线程还在运行,程序就不会终止。main()就是一个非后台线程

示例代码:

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class SimpleDaemons implements Runnable {
  @Override
  public void run() {
	try {
	  while (true) {
		TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
		System.out.println(Thread.currentThread() + " " + this);
	  }
	} catch (InterruptedException e) {
	  System.out.println("sleep() interrupted");
	  e.printStackTrace();
	}
  }
  
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	for(int i = 0; i < 10; i++) {
	  Thread daemon = new Thread(new SimpleDaemons());
	  daemon.setDaemon(true); // Must call before start();
	  daemon.start();
	}
	System.out.println("All daemons started");
	TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(275); //不断调整这个时间,就能理解上面那段话了。
  }
}

设置后台线程有一个注意点:必须在 start()之前设定。

8. 加入一个线程

这个小节看的很恶心,主要是翻译的太晦涩了,根本看不懂。很简单的意思愣是翻译的看不懂,也是醉了。。我总结一下这个小节吧。

现在有2个线程A 和 B,现在想在执行 B 的过程中加入 A,那么就可以在 B 中调用 A.join(),那么在 B 中就会等待 A 执行完毕才继续运行。下面是例子:

class Sleeper extends Thread {
  private int duration;
  public Sleeper(String name, int sleepTime) {
	super(name);
	duration = sleepTime;
	start();
  }
  
  public void run() {
	try {
	  sleep(duration);
	} catch(InterruptedException e) {
	  System.out.println(getName() + " was interrupted. " + "isInterrupted(): " + isInterrupted());
	  return ;
	}
	System.out.println(getName() + " has awakened");
  }
}

class Joiner extends Thread {
  private Sleeper sleeper;
  public Joiner(String name, Sleeper sleeper) {
	super(name);
	this.sleeper = sleeper;
	start();
  }
  
  public void run() {
	try {
	  sleeper.join();
	} catch(InterruptedException e) {
	  System.out.println("Interrpted");
	}
	System.out.println(getName() + " join completed");
  }
}

public class Joining {
  public static void main(String[] args) {
	Sleeper sleepy = new Sleeper("Sleepy", 1500);
	Sleeper grumpy = new Sleeper("grumpy", 1500);
	
	Joiner dopey = new Joiner("Dopey", sleepy);
	Joiner doc = new Joiner("Doc", grumpy);
	
	grumpy.interrupt();
  }
}/*output:
grumpy was interrupted. isInterrupted(): false
Doc join completed
Sleepy has awakened
Dopey join completed
*/

认真看下,其实就是这个意思。我是按宏替换来理解的,把 join()的那个线程的代码给替换进来。。。。

Tips:

代码中有一个需要注意的是interrput()的调用结果:isInterrupted(): false,明明这个线程被我们 interrupt()了呀,为什么状态是 false?原来是因为当调用 interrupt()的时候,将给这个线程设定一个标志,表明该线程已经被中断。然而,异常被捕获的时候将清理这个标志,所以在 catch 子句中,这个标志被识别为 false。

9. 呀,抛出异常肿么办?

先来个小测试,看看下面的代码输出如何?

 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 import java.util.concurrent.Executors;
 
 public class ExceptionThread implements Runnable {
   @Override
   public void run() {
	 throw new RuntimeException();
   }
 
   public static void main(String[] args) {
	 try {
	   ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
	   exec.execute(new ExceptionThread());
	 } catch (Exception e) {
	   System.out.println("catch run() exception...");
	 }
   }
 }

想好的话,实际运行一下这个程序。答案竟然是没有捕获到,直接抛到 console 中!!!为什么呢?

前面我们说过,线程之间是无法传播异常(上面线程干活累了,想睡会小节中提到过),所以抛出的异常直接抛给 JVM 并打印到 console 中。

当然,在 Java SE5以后,可以用 Executor 来解决这个问题。如下所示:

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

class ExceptionThread2 implements Runnable {
  @Override
  public void run() {
	Thread t = Thread.currentThread();
	System.out.println("run() by " + t);
	System.out.println("eh = " + t.getUncaughtExceptionHandler());
	throw new RuntimeException();
  }
}

class MyUncaughtExceptionHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler {
  @Override
  public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
	System.out.println("caught " + e);
  }
}

class HandlerThreadFactory implements ThreadFactory {
  @Override
  public Thread newThread(Runnable r) {
	System.out.println(this + " creating new Thread");
	Thread t = new Thread(r);
	System.out.println("created " + t);
	t.setUncaughtExceptionHandler(new MyUncaughtExceptionHandler());
	System.out.println("eh = " + t.getUncaughtExceptionHandler());
	return t;
  }
}

public class CaptureUncaughtException {
  public static void main(String[] args) {
	ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool(new HandlerThreadFactory());
	exec.execute(new ExceptionThread2());
  }
}/*output:
concurrency.HandlerThreadFactory@5c647e05 creating new Thread
created Thread[Thread-0,5,main]
eh = concurrency.MyUncaughtExceptionHandler@33909752
run() by Thread[Thread-0,5,main]
eh = concurrency.MyUncaughtExceptionHandler@33909752
concurrency.HandlerThreadFactory@5c647e05 creating new Thread
created Thread[Thread-1,5,main]
eh = concurrency.MyUncaughtExceptionHandler@359d9ad4
caught java.lang.RuntimeException
*/

不知道为何我的输出多了一个线程Thread-1,5,main的创建。。。留待明天解决。。。。。。

在实际使用时,可以按照具体情况重写 uncaughtException()来逐个处理不同的异常,如果在代码中都只使用相同的异常处理器,就可以设置 Thread 的静态域:

public class SettingDefaultHandler {
  public static void main(String[] args) {
	Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new MyUncaughtExceptionHandler());
	ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
	exec.execute(new ExceptionThread());
  }
}

这个处理器只在不存在线程专有的未捕获异常处理器的情况下才会被调用。具体的步骤是:

  1. 系统会检查线程专有版本
  2. 如果没有发现,则检查线程组是否有其专有的 uncaughtException()方法(Java SE5以后完全可以认为没有线程组的概念,因为被 Executor 完全取代),
  3. 如果也没有,再调用 defaultUncaughtExceptionHandler。
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