java多线程设计模式(1)

java语言已经内置了多线程支持，所有实现Runnable接口的类都可被启动一个新线程，新线程会执行该实例的run()方法，当run()方法执行完毕后，线程就结束了。

一旦一个线程执行完毕，这个实例就不能再重新启动，只能重新生成一个新实例，再启动一个新线程。

Thread类是实现了Runnable接口的一个实例，它代表一个线程的实例，并且，启动线程的唯一方法就是通过Thread类的start()实例方法：

Thread t = new Thread();
t.start();

start()方法是一个native方法，它将启动一个新线程，并执行run()方法。Thread类默认的run()方法什么也不做就退出了。注意：直接调用run()方法并不会启动一个新线程，它和调用一个普通的java方法没有什么区别。

因此，有两个方法可以实现自己的线程：

方法1：自己的类extend Thread，并复写run()方法，就可以启动新线程并执行自己定义的run()方法。例如：

public class MyThread extends Thread {
    public run() {
        System.out.println("MyThread.run()");
    }
}

在合适的地方启动线程：new MyThread().start();

方法2：如果自己的类已经extends另一个类，就无法直接extends Thread，此时，必须实现一个Runnable接口：

public class MyThread extends OtherClass implements Runnable {
    public run() {
        System.out.println("MyThread.run()");
    }
}

为了启动MyThread，需要首先实例化一个Thread，并传入自己的MyThread实例：

MyThread myt = new MyThread();
Thread t = new Thread(myt);
t.start();

事实上，当传入一个Runnable target参数给Thread后，Thread的run()方法就会调用target.run()，参考JDK源代码：

public void run() {
    if (target != null) {
        target.run();
    }
}

线程还有一些Name, ThreadGroup, isDaemon等设置，由于和线程设计模式关联很少，这里就不多说了。

由于同一进程内的多个线程共享内存空间，在Java中，就是共享实例，当多个线程试图同时修改某个实例的内容时，就会造成冲突，因此，线程必须实现共享互斥，使多线程同步。

最简单的同步是将一个方法标记为synchronized，对同一个实例来说，任一时刻只能有一个synchronized方法在执行。当一个方法正在执 行某个synchronized方法时，其他线程如果想要执行这个实例的任意一个synchronized方法，都必须等待当前执行 synchronized方法的线程退出此方法后，才能依次执行。

但是，非synchronized方法不受影响，不管当前有没有执行synchronized方法，非synchronized方法都可以被多个线程同时执行。

此外，必须注意，只有同一实例的synchronized方法同一时间只能被一个线程执行，不同实例的synchronized方法是可以并发的。例如，class A定义了synchronized方法sync()，则不同实例a1.sync()和a2.sync()可以同时由两个线程来执行。

多线程同步的实现最终依赖锁机制。我们可以想象某一共享资源是一间屋子，每个人都是一个线程。当A希望进入房间时，他必须获得门锁，一旦A获得门锁，他进 去后就立刻将门锁上，于是B,C,D...就不得不在门外等待，直到A释放锁出来后，B,C,D...中的某一人抢到了该锁（具体抢法依赖于JVM的实 现，可以先到先得，也可以随机挑选），然后进屋又将门锁上。这样，任一时刻最多有一人在屋内（使用共享资源）。

Java语言规范内置了对多线程的支持。对于Java程序来说，每一个对象实例都有一把“锁”，一旦某个线程获得了该锁，别的线程如果希望获得该锁，只能等待这个线程释放锁之后。获得锁的方法只有一个，就是synchronized关键字。例如：

public class SharedResource {
    private int count = 0;

    public int getCount() { return count; }

    public synchronized void setCount(int count) { this.count = count; }

}

同步方法public synchronized void setCount(int count) { this.count = count; } 事实上相当于：

public void setCount(int count) {
    synchronized(this) { // 在此获得this锁
         this.count = count;
    } // 在此释放this锁
}

红色部分表示需要同步的代码段，该区域为“危险区域”，如果两个以上的线程同时执行，会引发冲突，因此，要更改SharedResource的内部状态，必须先获得SharedResource实例的锁。

退出synchronized块时，线程拥有的锁自动释放，于是，别的线程又可以获取该锁了。

为了提高性能，不一定要锁定this，例如，SharedResource有两个独立变化的变量：

public class SharedResouce {
    private int a = 0;
    private int b = 0;

    public synchronized void setA(int a) { this.a = a; }

    public synchronized void setB(int b) { this.b = b; }
}

若同步整个方法，则setA()的时候无法setB()，setB()时无法setA()。为了提高性能，可以使用不同对象的锁：

public class SharedResouce {
    private int a = 0;
    private int b = 0;
    private Object sync_a = new Object();
    private Object sync_b = new Object();

    public void setA(int a) {
        synchronized(sync_a) {
            this.a = a;
        }
    }

    public synchronized void setB(int b) {
        synchronized(sync_b) {
            this.b = b;
        }
    }
}

通常，多线程之间需要协调工作。例如，浏览器的一个显示图片的线程displayThread想要执行显示图片的任务，必须等待下载线程 downloadThread将该图片下载完毕。如果图片还没有下载完，displayThread可以暂停，当downloadThread完成了任务 后，再通知displayThread“图片准备完毕，可以显示了”，这时，displayThread继续执行。

以上逻辑简单的说就是：如果条件不满足，则等待。当条件满足时，等待该条件的线程将被唤醒。在Java中，这个机制的实现依赖于wait/notify。等待机制与锁机制是密切关联的。例如：

synchronized(obj) {
    while(!condition) {
        obj.wait();
    }
    obj.doSomething();
}

当线程A获得了obj锁后，发现条件condition不满足，无法继续下一处理，于是线程A就wait()。

在另一线程B中，如果B更改了某些条件，使得线程A的condition条件满足了，就可以唤醒线程A：

synchronized(obj) {
    condition = true;
    obj.notify();
}

需要注意的概念是：

# 调用obj的wait(), notify()方法前，必须获得obj锁，也就是必须写在synchronized(obj) {...} 代码段内。

# 调用obj.wait()后，线程A就释放了obj的锁，否则线程B无法获得obj锁，也就无法在synchronized(obj) {...} 代码段内唤醒A。

# 当obj.wait()方法返回后，线程A需要再次获得obj锁，才能继续执行。

# 如果A1,A2,A3都在obj.wait()，则B调用obj.notify()只能唤醒A1,A2,A3中的一个（具体哪一个由JVM决定）。

# obj.notifyAll()则能全部唤醒A1,A2,A3，但是要继续执行obj.wait()的下一条语句，必须获得obj锁，因此，A1,A2,A3只有一个有机会获得锁继续执行，例如A1，其余的需要等待A1释放obj锁之后才能继续执行。

# 当B调用obj.notify/notifyAll的时候，B正持有obj锁，因此，A1,A2,A3虽被唤醒，但是仍无法获得obj锁。直到B退出synchronized块，释放obj锁后，A1,A2,A3中的一个才有机会获得锁继续执行。

前面讲了wait/notify机制，Thread还有一个sleep()静态方法，它也能使线程暂停一段时间。sleep与wait的不同点是： sleep并不释放锁，并且sleep的暂停和wait暂停是不一样的。obj.wait会使线程进入obj对象的等待集合中并等待唤醒。

但是wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法打断线程的暂停状态，从而使线程立刻抛出InterruptedException。

如果线程A希望立即结束线程B，则可以对线程B对应的Thread实例调用interrupt方法。如果此刻线程B正在wait/sleep/join，则线程B会立刻抛出InterruptedException，在catch() {}中直接return即可安全地结束线程。

需要注意的是，InterruptedException是线程自己从内部抛出的，并不是interrupt()方法抛出的。对某一线程调用 interrupt()时，如果该线程正在执行普通的代码，那么该线程根本就不会抛出InterruptedException。但是，一旦该线程进入到 wait()/sleep()/join()后，就会立刻抛出InterruptedException。

GuardedSuspention模式主要思想是：

当条件不满足时，线程等待，直到条件满足时，等待该条件的线程被唤醒。

我们设计一个客户端线程和一个服务器线程，客户端线程不断发送请求给服务器线程，服务器线程不断处理请求。当请求队列为空时，服务器线程就必须等待，直到客户端发送了请求。

先定义一个请求队列：Queue

package com.crackj2ee.thread;

import java.util.*;

public class Queue {
    private List queue = new LinkedList();

    public synchronized Request getRequest() {
        while(queue.size()==0) {
            try {
                this.wait();
            }
            catch(InterruptedException ie) {
                return null;
            }
        }
        return (Request)queue.remove(0);
    }

    public synchronized void putRequest(Request request) {
        queue.add(request);
        this.notifyAll();
    }

}

蓝色部分就是服务器线程的等待条件，而客户端线程在放入了一个request后，就使服务器线程等待条件满足，于是唤醒服务器线程。

客户端线程：ClientThread

package com.crackj2ee.thread;

public class ClientThread extends Thread {
    private Queue queue;
    private String clientName;

    public ClientThread(Queue queue, String clientName) {
        this.queue = queue;
        this.clientName = clientName;
    }

    public String toString() {
        return "[ClientThread-" + clientName + "]";
    }

    public void run() {
        for(int i=0; i<100; i++) {
            Request request = new Request("" + (long)(Math.random()*10000));
            System.out.println(this + " send request: " + request);
            queue.putRequest(request);
            try {
                Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000 + 1000));
            }
            catch(InterruptedException ie) {
            }
        }
        System.out.println(this + " shutdown.");
    }
}

服务器线程：ServerThread

package com.crackj2ee.thread;
public class ServerThread extends Thread {
    private boolean stop = false;
    private Queue queue;

    public ServerThread(Queue queue) {
        this.queue = queue;
    }

    public void shutdown() {
        stop = true;
        this.interrupt();
        try {
            this.join();
        }
        catch(InterruptedException ie) {}
    }

    public void run() {
        while(!stop) {
            Request request = queue.getRequest();
            System.out.println("[ServerThread] handle request: " + request);
            try {
                Thread.sleep(2000);
            }
            catch(InterruptedException ie) {}
        }
        System.out.println("[ServerThread] shutdown.");
    }
}

服务器线程在红色部分可能会阻塞，也就是说，Queue.getRequest是一个阻塞方法。这和java标准库的许多IO方法类似。

最后，写一个Main来启动他们：

package com.crackj2ee.thread;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Queue queue = new Queue();
        ServerThread server = new ServerThread(queue);
        server.start();
        ClientThread[] clients = new ClientThread[5];
        for(int i=0; i<clients.length; i++) {
            clients[i] = new ClientThread(queue, ""+i);
            clients[i].start();
        }
        try {
            Thread.sleep(100000);
        }
        catch(InterruptedException ie) {}
        server.shutdown();
    }
}

我们启动了5个客户端线程和一个服务器线程，运行结果如下：

[ClientThread-0] send request: Request-4984
[ServerThread] handle request: Request-4984
[ClientThread-1] send request: Request-2020
[ClientThread-2] send request: Request-8980
[ClientThread-3] send request: Request-5044
[ClientThread-4] send request: Request-548
[ClientThread-4] send request: Request-6832
[ServerThread] handle request: Request-2020
[ServerThread] handle request: Request-8980
[ServerThread] handle request: Request-5044
[ServerThread] handle request: Request-548
[ClientThread-4] send request: Request-1681
[ClientThread-0] send request: Request-7859
[ClientThread-3] send request: Request-3926
[ServerThread] handle request: Request-6832
[ClientThread-2] send request: Request-9906
......

可以观察到ServerThread处理来自不同客户端的请求。