Thinking in Java - Java 并发

作者: gb_QA_log | 来源:发表于2018-07-12 15:26 被阅读0次

title: Java 并发
date: 2017-04-12 18:40:22
categories: Java
mathjax: false
tags: [Thinking in Java]

写在前面

多线程和并发可以是专门的一本书了，这里简单学习了下，参考阅读《Thinking in Java》“并发”部分。

新类库中的构件在实际应用中应该挺重要的，我看到最后觉得太累了，反而还没看。和新IO简直是一模一样的情况啊。

并发的多面性

简单地说，Java的多线程机制就是在一个进程内(系统分配的资源固定)，将CPU的时间切片再分给不同的线程。这样使得控制权的转移对编程人员来说是透明的（或者说是黑盒）。对于多CPU来说，并发操作无疑是高效的。
学习并发，也有利于理解构架分布式系统时候用到的消息机制。
另外，有函数型编程可以将并发任务彼此隔离。这点需要之后学习过程中接着体会，

基本的线程机制

定义任务

//Thread的start()自动调用Runnable的run()
public class Multitask {
    public static void  main(String[] argus) {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            LiftOff liftOff = new LiftOff();
            Thread t = new Thread(liftOff);
            t.start();
        }
        System.out.println("main thread still runs");
    }
}
class LiftOff implements Runnable{
    protected int countDown = 10;
    private static int taskCount = 0;
    private final int id = taskCount++;
    public LiftOff() { }
    public LiftOff(int countDown) {
        this.countDown = countDown;
    } 
    public String status(){
        return "#"+id+"("+(countDown>0?countDown:"Liftoff!")+").";
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.print("thread"+id+"runs:");
        while(countDown-->0){
            System.out.print(status());
            Thread.yield();//表示暂停当前线程，执行其他线程(包括自身线程) 
            //加入yield()使得每次打印后都会切换线程，不加则由cpu觉得切换的时间
        }
    }
}
/*
main thread still runs
thread1runs:thread0runs:thread2runs:#1(9).#0(9).#2(9).#1(8).#2(8).#0(8).#2(7).
#1(7).#2(6).#0(7).#2(5).#1(6).#0(6).#2(4).#1(5).#0(5).#2(3).#1(4).#0(4).#2(2).
#1(3).#2(1).#0(3).#1(2).#2(Liftoff!).#0(2).#1(1).#0(1).#1(Liftoff!).#0(Liftoff!).
*/

以上主线程和t线程间的调度是由线程调度器自动控制的，如果在多CPU机器上，线程调度器会分发线程给不同处理器。而线程调度器的调度机制是非确定性的，因此输出先后(执行先后)无法保证。

使用Executor

在JavaSE5(也就是jdk1.5)的java.util.concurrent.*中执行器(Executor)将管理Thread对象。将上述的main()中代码更改如下：

public static void  main(String[] argus) {
    ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        LiftOff liftOff = new LiftOff();
        exec.execute(liftOff);
    }
    exec.shutdown();
    System.out.println("main thread still runs");
}

CachedThreadPool会为每个Runnable创建线程，而线程由Executor管理，其中shutdown()方法是防止Executor有新任务提交。
另外还有

FixedThreadPool固定了线程池的数量，
和SingleThreadExecutor(相当于FixedThreadPool为1的时候)保证其他进程不会被并发调用。如果向SingleThreadExecutor提交多个任务，这些任务将会排队即序列化任务。
将上述的main()中代码更改如下：

public static void  main(String[] argus) {
    ExecutorService exec = Executors.newSingleThreadExecutor();
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        LiftOff liftOff = new LiftOff();
        exec.execute(liftOff);
    }
    exec.shutdown();
    System.out.println("main thread still runs");
}
/*
thread0runs:main thread still runs
#0(9).#0(8).#0(7).#0(6).#0(5).#0(4).#0(3).#0(2).#0(1).
#0(Liftoff!).thread1runs:#1(9).#1(8).#1(7).#1(6).#1(5).
#1(4).#1(3).#1(2).#1(1).#1(Liftoff!).thread2runs:#2(9).
#2(8).#2(7).#2(6).#2(5).#2(4).#2(3).#2(2).#2(1).#2(Liftoff!).
*/

从任务中产生返回值

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;

public class Multitask {
    public static void  main(String[] argus) {
        ExecutorService exec = Executors.newSingleThreadExecutor();
        ArrayList<Future<String>> results = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            TaskWithResults task = new TaskWithResults(i);
            Future<String> result = exec.submit(task);//submin返回Future对象
            results.add(result);
        }
        for (Future<String> future : results) {
            if (future.isDone()) {
                try {
                    System.out.println(future.get());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (ExecutionException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    exec.shutdown();//必须有
                }
            }
        }
    }
}
class TaskWithResults implements Callable<String>{
    private int id;
    public TaskWithResults(int id) {
        this.id = id;
    }
    @Override
    public String call() throws Exception {
        return "result of task "+id;
    }
}
/*
result of task 0
result of task 1
result of task 2
*/

休眠

将run()中的yield()改为sleep()，使得任务中止执行一定时间

class LiftOff implements Runnable{
    protected int countDown = 10;
    private static int taskCount = 0;
    private final int id = taskCount++;
    public LiftOff() { }
    public LiftOff(int countDown) {
        this.countDown = countDown;
    } 
    public String status(){
        return "#"+id+"("+(countDown>0?countDown:"Liftoff!")+").";
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            while(countDown-->0){
                System.out.print(status());
                //Thread.yield();
                //Old style
                //Thread.sleep(100);
                //Java SE5/6 style
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();//异常不能跨线程
        }

    }
}

优先级

优先级只是决定执行的频率，而一般也不设置优先级。并且不同系统优先级等级分层不同，因此建议使用MAX_PRIORITY、MIN_PRIORITY、NORM_PRIORITY等

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class Multitask {
    public static void  main(String[] argus) {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            LiftOff liftOff = new LiftOff(Thread.MIN_PRIORITY);
            exec.execute(liftOff);
        }
        exec.execute(new LiftOff(Thread.MAX_PRIORITY));
        exec.shutdown();
    }
}
class LiftOff implements Runnable{
    protected int countDown = 5;
    private volatile double d;//发现 volatile 变量的最新值
    private int priority;
    public LiftOff(int priority) {
        this.priority = priority;
    } 
    public String toString(){//覆盖
        return Thread.currentThread()+":"+countDown;
    }
    @Override
    public void run() {
        Thread.currentThread().setPriority(priority);
        while(true) {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                d += (Math.PI+Math.E)/(double)i;
                if(i%1000==0){
                    Thread.yield();
                }
            }
            System.out.println(this);
            if (--countDown==0) {
                return;
            }
        }
    }
}

/*
Thread[pool-1-thread-6,10,main]:5
Thread[pool-1-thread-3,1,main]:5
Thread[pool-1-thread-5,1,main]:5
Thread[pool-1-thread-1,1,main]:5
Thread[pool-1-thread-6,10,main]:4
Thread[pool-1-thread-2,1,main]:5
Thread[pool-1-thread-4,1,main]:5
Thread[pool-1-thread-6,10,main]:3
Thread[pool-1-thread-1,1,main]:4
Thread[pool-1-thread-5,1,main]:4
Thread[pool-1-thread-3,1,main]:4
Thread[pool-1-thread-4,1,main]:4
Thread[pool-1-thread-2,1,main]:4
Thread[pool-1-thread-6,10,main]:2
Thread[pool-1-thread-1,1,main]:3
Thread[pool-1-thread-5,1,main]:3
Thread[pool-1-thread-3,1,main]:3
Thread[pool-1-thread-4,1,main]:3
Thread[pool-1-thread-6,10,main]:1
Thread[pool-1-thread-2,1,main]:3
Thread[pool-1-thread-3,1,main]:2
Thread[pool-1-thread-5,1,main]:2
Thread[pool-1-thread-1,1,main]:2
Thread[pool-1-thread-4,1,main]:2
Thread[pool-1-thread-2,1,main]:2
Thread[pool-1-thread-3,1,main]:1
Thread[pool-1-thread-1,1,main]:1
Thread[pool-1-thread-5,1,main]:1
Thread[pool-1-thread-4,1,main]:1
Thread[pool-1-thread-2,1,main]:1
*/

让步

yield()表示建议暂停当前线程，执行其他相同优先级的其他线程。

后台线程

非后台线程结束后，会杀死所有后台线程

import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class Multitask {
    public static void  main(String[] argus) {
        Thread t = new Thread(new ADaemon());
        t.setDaemon(true);
        t.start();
        System.out.println("finish");
    }
}
class ADaemon implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("Starting ADaemon");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("always run?");
        }
    }

}
/*
finish
Starting ADaemon
*/

同时，后台线程创建的线程仍然是后台线程

编码的变体

看源码Thread类也是实现Runnable接口。
所以实现线程有这么几种方式：

实现Runnable接口
- 实现其中的run()
- 传入Thread对象，执行start()。
自管理的Runnable。
- 类中变量Thread t = new Thread(this)，并在构造函数中执行t.start()
直接继承Thread类
- 实现run()
- 构造函数中执行start()
用内部类隐藏线程代码
- 实现一个内部类，该内部类继承Thread
- 实现该内部类的run()和构造函数中执行start()
- 该类有一个变量为这个内部类private InnerClassName test;
- 在类的构造函数中new这个内部类test = new InnerClassName()
Executor管理的线程池
- 实现Runnable接口
- 传入到Executor中

加入一个线程 Join()

如下，Joiner线程需要等到Sleeper线程结束或者中断sleeper.interrupt()，才会接着执行

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

捕获异常

JavaSE5前需要用线程组。现在给线程附上一个异常处理前就可以捕获异常了。
当异常传到线程外时，已经无法被捕捉(unknown source)，即使外部再调用try-catch也没用。
但是用

Thread t = new Thread(new Runnable类);
t.setUncaughtExceptionHandler(
    new UncaughtExceptionHandler() {
        @Override
        public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {          
        //do something
        }
    }//匿名内部类
);

也可以统一给Thread设置一个静态域

Thread.setUncaughtExceptionHandler(new MyUncaughtExceptionHandler())

共享受限资源

解决共享资源竞争：

synchronized关键字
对资源加锁。第一个访问该资源的任务（或者说是线程）锁定该资源。
Java中，当任务要执行synchronized关键字保护的代码片段时，会检查锁是否可用，然后获得锁。通常将域设置为private，而能访问该域的方法都用synchronized。
synchronized则是在类的范围内防止对static数据的并发访问。
Lock对象
JavaSE5中还有Lock对象的显式互斥机制。人工加锁解锁
比之synchronized，Lock更灵活，但是代码更多。一般用前者。但是当有特殊要求synchronized获取锁失败、需要给获取锁加一定时间期限等，用Lock类自定义显然更理想。

private Lock lock = new ReentrantLock();
public int next(){
    lock.lock;
    try{
        currValue++;
        currValue++;
        return currValue;
    } finally{
        lock.unlock();
    }
}

volatile关键字
volatile获取原子性和可视性，避免编译器的优化。Java中的基本类型的操作是原子性的，但是读写long、double等会出现分成两个字节来处理的情况，不是原子性的。并且注意到，Java递增操作也不是原子性的。
原子类
JavaSE5引入了一些原子性变量类，主要用于性能调优。Atomic类主要用来构建java.util.concurrent中的类。详情见书
临界区
想要只对部分代码（临界区）进行控制，可以用同步控制块来处理

synchronized(指定某个对象如syncObject){
//为进入这段代码，需要获得该对象syncObject的锁
//最好是使用其方法正在被调用的当前对象即synchronized(this)
}

在其他对象上同步
即如下代码传入其他对象。为了起到互斥作用，所有相关的任务应该都是在这个对象上完成的，否则达不到目的

private Object syncObject = new Object();
synchronized(syncObject){
//something
}

线程本地存储

public static ThreadLocal<Integer> value = new ThreadLocal<>(){
    protected synchronized Integer initialValue() {
        return 3;//为每个线程都返回值
    }
};

终结任务

exec.awaitTermination(250,TimeUnit.MILLISECONDS)若所有任务都在超时前结束，返回true

sleep的阻塞

wait() 或者sleep()会使得线程进入阻塞状态，在阻塞时终结线程，需要执行中断操作。

Thread类有interrupt()方法，执行后会抛出InterruptedException异常
Thread.interrupted()来做run()中的循环条件
Executor调用shutdownNow()会中断所有的任务
Executor调用submit()得到的返回值泛型Future<?> tmp，执行tmp.cancle(true)将会中断特定的线程

io的阻塞

注意到之前IO阻塞和synchronized造成的阻塞无法中断
解决：

在Executor调用shutdownNow()后，其他IO的阻塞需要用System.in.close()和ServerSocket的close()方法手动关掉发生阻塞的底层资源
对于NIO的channel类，则
- Executor调用shutdownNow()会中断所有的任务
- Executor调用submit()得到的返回值泛型Future<?> tmp，执行tmp.cancle(true)将会中断特定的线程
- 仍旧可以手动关掉资源close()

被互斥所阻塞

为解决synchronized造成的阻塞无法中断，JavaSE5添加了特性，ReentrantLock上阻塞的任务可以被中断
即在Runnable中阻塞

private Lock lock = new ReentranLock();
lock.lock();
//something
//lock.unlock();//注释后造成阻塞

可以用Thread的interrupt()中断

检查中断

假如并没有阻塞，导致interrupt()后继续run()
考虑到InterruptedException异常和Thread.interrupted()都会在调用后清楚中断的状态，因此我们可以在run()中这么处理：

public void run(){
    while(!Thread.interrupted()){
    //do something
    }
}

线程之间的协作

wait() notifyAll()

wait()期间锁是释放的
可以通过notify()、notifyAll() 或者wait()时间到期，从wait中恢复执行
wait()、notify()、notifyAll()只能在同步控制方法或同步控制块中调用

public void run(){
    while(Thread.interrupted()){
        //something
        /* synchronized的方法中 
        flag_A = true;
        notifyAll();
        */
        
        /* synchronized的方法中 
        while(flag_B == false) wait();
        */
    }
}

实际情况中，可能线程1还未wait(),线程2已经发出notify()，导致错失的信号

notify() notifyAll()

无论notify() notifyAll()，都只是唤醒等待同一个锁的线程。

生产者消费者

Paste_Image.png

使用显式的Lock和Condition对象

类似于wait() notify()部分

public void run(){
    while(Thread.interrupted()){
        
        /* 已经不用synchronized关键词,某个方法中：
        lock.lock();
        try{
            flag_A = true;
            condition.signAll();//需要拥有这个锁
        } finally{
            lock.unlock();
        }
        */
        
        /* 已经不用synchronized关键词,某个方法中：
        lock.lock();
        try{
            while(flag_B == false) wait();
        } finally{
            lock.unlock();
        }
        */
    }
}

生产者消费者队列

wait() notify()方法很低级，用更高级抽象的同步队列来解决。
java.util.concurrent.BlockingQueue
LinkedBlockingQueue
ArrayBlockingQueue
消费者任务试图从队列里获取对象，如果此时为空，会挂起消费者，等到有元素时再恢复。

private BlockingQueue<类> rockets;
rockets = 某些队列
rockets.put(类的对象)
rockets.take()//取出来

任务间使用管道进行输入输出

管道输入，输出时候空会自动阻塞，
值得一提的是，不同于普通的I/O，管道是可中断的。

import java.io.IOException;
import java.io.PipedReader;
import java.io.PipedWriter;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class Multitask {
    public static void  main(String[] argus) {
        Sender sender = new Sender();
        Receiver receiver = new Receiver(sender);
        ExecutorService exec  = Executors.newCachedThreadPool();
        exec.execute(sender);
        exec.execute(receiver);
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        exec.shutdownNow();
        
    }
}
class Sender implements Runnable{
    private Random random = new Random(47);
    private PipedWriter out = new PipedWriter();
    public PipedWriter getPipeWriter(){return out;}
    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                for (char c = 'A'; c <= 'Z'; c++) {
                    out.write(c);
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(random.nextInt(500));
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
class Receiver implements Runnable{
    private PipedReader in;
    public Receiver(Sender sender) {
        try {
            in = new PipedReader(sender.getPipeWriter());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                System.out.println("Read: "+(char)in.read()+",");
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

死锁

书中对哲学家就餐问题进行了模拟。
同时指出死锁四个必要条件：

互斥条件。存在资源不能共享
占有某资源且等待另一资源
资源不能被抢占
存在循环等待。A等待B，B等待A

仿真

书中提到的几种对现实场景的仿真，如饭店服务、银行柜台服务等。这里不具体展开。
之前读过一篇经济学的文章，比较有意思，叫《大糖帝国》。是说在一个Sugarscape的棋盘上，一些人根据固定的生存法则自主的生存，最终一定会是贫富分化，满足二八定律。但是文章的结论同时指出，对于致富，“天赋论”和“出身决定一切”都不是决定性的。那么什么是决定性的？然而什么也不是，这个过程是复杂的。

有兴趣可以再进一步实现一下，假设每个单元(姑且这么称号，毕竟实际生活还有公司法人、自然人、乃至国家等各种经济体)就像《自私的基因》一样惟利是图（然而现实中有无数献身公益事业的人），而我们指定策略（如税收等财富再分配手段）来进行干预。但是这过程又需要每个单元进行智能的博弈。感觉会很有趣，留坑。

新类库中的构件

待阅读、实验。

JavaSE5的java.util.concurrent引入了很多好用的新类。

CountDownLatch
CyclicBarrier
DelayQueue
PriorityBlockingQueue
ScheduledExecutor
Semaphore
Exchanger

性能调优

待阅读、实验。

介绍不同方式的性能比较。
Vector 和 Hashtable TreeSet 线程安全的免锁容器

活动对象

待阅读、实验。

多线程模型的替换方式。基于代理

总结及进阶读物

Java Concurrency in Practice
Concurrent Programming in Java
The Java Language Specifacation

Thinking in Java - Java 并发

写在前面

并发的多面性

基本的线程机制

定义任务

使用Executor

从任务中产生返回值

休眠

优先级

让步

后台线程

编码的变体

加入一个线程 Join()

捕获异常

共享受限资源

终结任务

sleep的阻塞

io的阻塞

被互斥所阻塞

检查中断

线程之间的协作

wait() notifyAll()

notify() notifyAll()

生产者消费者

使用显式的Lock和Condition对象

生产者消费者队列

任务间使用管道进行输入输出

死锁

仿真

新类库中的构件

性能调优

活动对象

总结及进阶读物

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