Java编程思想-并发（5）

新类库中的构件

JDK1.5引入了java.util.concurrent包，它提供了大量的新类，用于安全而高效地解决并发问题。下面将通过例子一一介绍。

CountDownLatch-倒数计数器

CountDownLatch被称为倒数计步器，它是Java内置的同步器的一种（还有信号量、CyclicBarrier等同步器，后续将作介绍）。它的功能是阻塞一个或多个线程，这些阻塞的线程需要等待其他线程中的某一个或几个条件成立，一旦成立，这些阻塞的线程将并发执行。比如，有若干运动员等待着（若干线程阻塞）发令枪响起（使解除线程阻塞的条件成立），一旦枪声响起，运动员将开始起跑（解除阻塞），这里发令枪是条件，若干运动员是等待条件成立的线程。而当所有运动员冲过终点线时，或者说最后一个运动员冲过终点线时，计时器停止计时，在这里，所有的运动员又成了条件，而计时器成了达成条件的结果——当计时器在等待着最后一名运动员冲过终点线，条件达成，计时终止。

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。

方法说明：

• public void countDown()

  • 递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。如果当前计数大于零，则将计数减少。如果新的计数为零，出于线程调度目的，将重新启用所有的等待线程。如果当前计数等于零，则不发生任何操作。

• public boolean await(long timeout,
  TimeUnit unit)
  throws InterruptedException

  • 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。如果当前计数为零，则此方法立刻返回 true 值。
    如果当前计数大于零，则出于线程调度目的，将禁用当前线程，且在发生以下三种情况之一前，该线程将一直处于休眠状态：1、由于调用 countDown() 方法的次数还不够计数到达零；2、其他某个线程中断当前线程；3、已超出指定的等待时间。如果计数到达零，则该方法返回 true 值。如果当前线程：
    在进入此方法时已经设置了该线程的中断状态；或者
    在等待时被中断，
    则抛出 InterruptedException，并且清除当前线程的已中断状态。如果超出了指定的等待时间，则返回值为 false。如果该时间小于等于零，则此方法根本不会等待。

参数：
timeout - 要等待的最长时间
unit - timeout 参数的时间单位。
返回：
如果计数到达零，则返回 true；如果在计数到达零之前超过了等待时间，则返回 false

抛出：
InterruptedException - 如果当前线程在等待时被中断

public class CountDownLatchTest {    // 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。    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 {                          // 如果当前计数为零，则此方法立即返回。                        // 等待                        begin.await();                          Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));                          System.out.println("No." + NO + " arrived");                      } catch (InterruptedException e) {                      } finally {                          // 每个选手到达终点时，end就减一                        end.countDown();                    }                  }              };              exec.submit(run);        }          System.out.println("Game Start");          // begin减一，开始游戏        begin.countDown();          // 等待end变为0，即所有选手到达终点        end.await();          System.out.println("Game Over");          exec.shutdown();      }}

Game StartNo.9 arrivedNo.6 arrivedNo.8 arrivedNo.7 arrivedNo.10 arrivedNo.1 arrivedNo.5 arrivedNo.4 arrivedNo.2 arrivedNo.3 arrivedGame Over

CyclicBarrier

CyclicBarrier和CountDownLatch一样，都是关于线程的计数器。

用法略有不同：并发执行一组任务，它们并行地执行工作然后再进行下一个步骤前等待， 直到所有的任务都完成。它使得所有的并行任务都将在栅栏处排队，因此可以一致地向前移动。它与CountDownLatch的最主要区别是前者可以多次重用，而后者只能触发一次。

 public class TestCyclicBarrier { 2        //并发线程数 3     private static final int THREAD_NUM = 5; 4      5     public static class WorkerThread implements Runnable{ 6  7         CyclicBarrier barrier; 8          9         public WorkerThread(CyclicBarrier b){10             this.barrier = b;11         }12         13         @Override14         public void run() {15             // TODO Auto-generated method stub16             try{17                 System.out.println("Worker's waiting");18                 //线程在这里等待，直到所有线程都到达barrier。19                 barrier.await();20                 System.out.println("ID:"+Thread.currentThread().getId()+" Working");21             }catch(Exception e){22                 e.printStackTrace();23             }24         }25         26     }27     28     /**29      * @param args30      */31     public static void main(String[] args) {32         // TODO Auto-generated method stub33         CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(THREAD_NUM, new Runnable() {34             //当所有线程到达barrier时执行35             @Override36             public void run() {37                 // TODO Auto-generated method stub38                 System.out.println("Inside Barrier");39                 40             }41         });42         43         for(int i=0;i<THREAD_NUM;i++){44             new Thread(new WorkerThread(cb)).start();45         }46     }47 48 }

//输出：51 Worker's waiting52 Worker's waiting53 Worker's waiting54 Worker's waiting55 Worker's waiting56 Inside Barrier57 ID:12 Working58 ID:8 Working59 ID:11 Working60 ID:9 Working61 ID:10 Working

CyclicBarrier初始化时规定一个数目，然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。当线程数达到了这个数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。
CyclicBarrier就象它名字的意思一样，可看成是个障碍， 所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。
CyclicBarrier初始时还可带一个Runnable的参数， 此Runnable任务在CyclicBarrier的数目达到后，所有其它线程被唤醒前被执行。

DelayQueue

1、DelayQueue是一个无界的BlockingQueue，用于放置实现了Delayed接口的对象，其中的对象只能在其到期时才能从队列中取走。这种队列是有序的，即队头对象的延迟到期的时间最长。如果没有任何延迟到期，那么不会有任何元素，并且poll()将返回null。（正是因为这样，你不能将null放置到这种个队列中。）

2、Delayed

种混合风格的接口，用来标记那些应该在给定延迟时间之后执行的对象。

此接口的实现必须定义一个 compareTo 方法，该方法提供与此接口的 getDelay 方法一致的排序。

3、DelayQueue队列中保存的是实现了Delayed接口的实现类，里面必须实现getDelay()和compareTo()方法，前者用于取DelayQueue里面的元素时判断是否到了延时时间，否则不予获取，是则获取。 compareTo()方法用于进行队列内部的排序

getDelay(TimeUnit unit){

return unit.convert(time - now(),TimeUnit.NANOSECONDES);//time为设定的间隔时间

}

   compareTo(Object object){if(object instanceof SchuduledTask){SchuduledTask task = (SchuduledTask) object ;                long l = this.time - task.time;if(l > 0) return 1 ; //比当前的小则返回1，比当前的大则返回-1，否则为0                else if(l < 0 ) return -1;else return 0;}}

下面是一个示例，其中的Delayed对象自身就是任务，而DelayedTaskConsumer将最“紧急”
的任务（到期时间最长的任务）从队列中取出，然后运行它。这样DelayQueue就成了优先级队列的一种变体。

class DelayedTask implements Runnable, Delayed {    private static int counter  = 0;    private final int id = counter++;    private final int delta;    private final long trigger;    protected static List<DelayedTask> sequence = new ArrayList<>();    public DelayedTask(int delayMilliseconds) {        delta = delayMilliseconds;        trigger = System.nanoTime() + NANOSECONDS.convert(delta, MILLISECONDS);        sequence.add(this);    }     public long getDelay(TimeUnit unit) {        return unit.convert(trigger - System.nanoTime(), NANOSECONDS);    }    public int compareTo(Delayed arg) {        DelayedTask that = (DelayedTask)arg;        if(trigger < that.trigger) {            return -1;        }        if(trigger > that.trigger) {            return 1;        }        return 0;    }    public void run() {        system.out.print(this + " ");    }    public String toString() {        return String.format("[%1$-4d]", delta) + " Task " + id;    }    public String summary() {        return "(" + id + ":" + delta + ")";    }    public static class EndSentinel extends EdlayedTask {        private ExecutorService exec;        public EndSentinel(int delay, ExecutorService e) {            super(delay);            exec = e;        }        public void run() {            for(DelayTask pt : sequence) {                System.out.print(pt.summary() + " ");             }            System.out.print();            System.out.print(this + "Calling shutdownNow()");            exec.shutdownNow();        }    }}class DelayedTaskConsumer implements Runnable {    private DelayQueue<DelayedTaks> q;    public DelayedTaskConsumer(DelayQueue<DelayedTask> q) {        this.q = q;    }    public void run() {        try {            while(!Thread.interrupted()) {                q.take().run();            }         } catch(InterruptedException e) {        }        System.out.print("Finished DelayedTaskConsumer");    }}public class DelayQueueDemo {    public static void main(String[] args) {    Random random = new Random(47);    ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();    DelayQueue<DelayTask> queue = new DelayQueue<>();    for(int i = 0 ; i < 20; ++i) {        queue.put(new DelayTask(random.nextInt(5000)));        }    queue.add(new DelayedTask.EndSentinel(5000,exec));    exec.execute(new DelayedTaskConsumer(queue));     }}

//输出[128 ] Task 11 [200 ] Task 7 [429 ] Task 5 [520 ] Task 18 [535 ] Task 1 [961 ] Task 4 [998 ] Task 16 [1207 ] Task 9 [1693 ] Task 2 [1809 ] Task 14 [1861 ] Task 3 [2278] Task 15 [3288 ] Task 10 [3551 ] Task 12 [4258 ] Task 0 [4258 ] Task 19 [4522 ] Task 8 [4589 ] Task 13 [4861 ] Task 17 [4868 ] Task 6(0:4258) (1:555) (2:1693) (3:1861) (4:961) (5:429) (6:4868) (7:200) (8:4522) (9:1207) (10:3288) (11:128) (12:3551) (13:4589) (14:1809) (15:2278) (16:998) (17:4861) (18:520) (19:4258) (20:5000)[5000] Task 20 Calling shutdownNow()Finished DelayedTaskConsumer

DelayTask包含一个被称为sequence的List<DelayedTask>，他保存了任务创建的顺序，因此我们可以看到排序是按照实际发生的顺序执行的。

Delay接口有一个方法名为getDelay()，它可以用来告知延迟到期有多长时间，或者延迟在多长时间之前已经到期。这个方法将强制我们去使用TimeUnit类，因为这就是参数类型。这回产生一个非常方便的类，因为你可以很容易地转换单位而无需任何声明。例如，delta的值是以毫秒为单位存储的，但是Java SE5的方法System.nanoTime()产生的时间则是以纳秒为单位的。你可以转换delta的值，方法是声明它的单位以及你希望以什么单位来表示：

NANOSECONDS.convert(delta, MILLISECONDS);

在getDelay()中，希望使用的单位是作为unit参数传递进来的，你使用它将当前与处罚时间之间的差转换为调用者要求的单位，而无需知道这些单位是什么。

注意，因为DelayedTaskConsumer自身是一个任务，所以它有自己的Thread，它可以使用这个县城来运行从队列中获取的所有任务。由于任务是按照队列优先级的顺序执行的，因此在本例中不需要启动任何单独的线程来运行DelayedTask。

从输出中可以看到，任务创建的顺序没有任何影响，任务是按照所期望的延迟顺序执行的。

PriorityBlockingQueue

这是一个很基础的优先级队列，它具有可阻塞的读取操作。这面这个示例演示了PriorityBlockingQueue的用法，其中在优先级队列中的对象是按照优先级顺序从队列中出现的任务。PrioritizedTask被赋予了一个优先级数字，以此来提供这种顺序：

class PrioritizedTask implements Runnable, Comparable<PrioritizedTask> {    private Random random = new Random(47);    private static int counter = 0;    private final int id = counter++;    private final int priority;    protected static List<PrioritizedTask> sequence = new ArrayList<>();    public PrioritizedTask(int priority) {        this.priority = priority;        sequence.add(this);    }    public int compareTo(PriorityTask arg) {        return priority < arg.priority ? 1 : (priority > arg.priority ? -1 : 0);    }    public void run() {        try {            TimeUnit.MILLISECOND.sleep(rand.nextInt(250));        } catch(InterruptedException e) {        }        System.out.print(this);    }    public String toString() {        return String.format("[%1$-3d]", priority) + " Task " + id;    }    public String summary() {        return "(" + id + ":" + priority + ")";    }    public static class EndSentinel extends PrioritizedTask {        private ExecutorService exec;        public EndSentinel(ExecutorService e) {            super(-1);            exec = e;        }        public void run() {            int count = 0;            for(PrioritizedTask pt : sequence) {                System.out.print(pt.summary());                if(++count % 5 == 0) {                    System.out.print();                }                 System.out.print();                System.out.print(this + " Calling shutdownNow()");                exec.shutdownNow();            }         }    }}public PriorityTaskProducer implements Runnable {    private Random random = new Random(47);    private Queue<Runnable> queue;    private ExecutorService exec;    public PriorityTaskProducer(Queue<Runnable> q, ExecutorService e) {        this.queue = q;        this.exec = e;        }    public void run() {        for(int i = 0; i < 20; ++i) {            queue.add(new PrioritizedTask(random.nextInt(10)));            Thread.yield();        }        try {            for(int i = 0; i < 10; ++i) {                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(250);                queue.add(new PriorityTask(10));            }            for(int i = 0; i < 10; ++i) {                queue.add(new PriorityTask(i));            }            queue.add(new PrioritizedTask.EndSentinel(exec));        } catch(InterruptedException e) {        }        System.out.print("Finished PrioritizedTaskProducer");    }}class PrioritizedTaskConsumer implements Runnable {    private PriorityBlockingQueue<Runnable> q;    public PrioritizedTaskConsumer(PriorityBlockingQueue<Runnable> q) {    this.q = q;    }    public void run() {        try {            while(!Thread.interrupted()) {                q.take().run();            }        } catch(InterruptedException e) {        }        System.out.print("Finished PrioritizedTaskConsumer");    }}public class PriorityBlockingQueueDemo {    public static void main(String[] args) {        Random random = new Random(47);        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();        PriorityBlockingQueue<Runnable> queue = new PriorityBlockingQueue<>();        exec.execute(new PrioritizedTaskProducer(queue, exec));        exec.execute(new PrioritizedTaskConsumer(queue));    }}

这与前一个示例相同，PrioritizedTask对象的创建序列被记录在sequence List中，用于和实际的执行顺序比较。run()方法将休眠一小段时间，然后打印对象。

在这里，不需要任何显式同步——不必考虑当你从这种队列中读取时，其中是否有元素，因为这个队列在没有元素时，将直接阻塞读取者。

Semaphore-信号量

正常的锁（如synchronized或Lock）在任何时刻都只允许一个任务访问同一项资源，而Semaphore（计数信号量）允许n个任务同时访问这个资源。你还可以将信号量看作是在向外分发使用资源的“许可证”，尽管实际上没有任何许可证对象。

下面演示了信号量的使用。并用到了一个概念——对象池，它管理这个数量有限的对象，当要使用对象时可以签出它们，而在用户使用完毕时，可以将它们签回。这种功能被封装在一个泛型类中：

public class Pool<T> {    private int size;    private List<T> items = new ArrayList<T>();    private volatile boolean[] checkOut;    private Semapore available;    public Pool(Class<T> classObject, int size) {        this.size = size;        this.checkOut = new boolean[size];        this.available = new Semaphore(size, true);        for(int i = 0; i < size; ++i) {            try {                items.add(classObject.newInstance());            } catch(Exception e) {                throw new RuntimeExecption(e);            }        }    }    public T checkOut() throws InterruptedException {        available.acquire();        return getItem();    }    public void checkIn(T x) {        if(releaseItem(x)) {            available.release();        }    }    private synchronized T getItem() {        for(int i = 0; i < size; ++i) {            if(!checkOut[i]) {                checkOut[i] = true;                return items.get(i);            }            return null;        }    }    private synchronized boolean releaseItem(T item) {        int index = items.indexOf(item);        if(index == -1) {            return false;        }        if(checkOut[index]) {            checkOut[index] = false;            return true;        }        return false;    }}

在Pool中，构造方法使用newInstance把对象加载到池中，如果需要一个新的对象，可以调用checkOut()，并在使用完后，嫁给checkIn()。

在checkOut()中，如果没有任何信号量许可证可用——在池中没有更多的对象了，available将阻塞调用过程。在checkIn()中，如果被签入的对象有效，则会向信号量返回一个许可证。

下面使用Fat对象作为示例——Fat类的构造器执行起来很耗时：

public class Fat {    private volatile double d;    private static int counter = 0;    private final int id = counter++;    public Fat() {        for(int i = 0;i < 10000; ++i) {            d += (Math.PI + Math.E) / (double)i;        }    }    public void operation() {        System.out.println(this);    }    public String toString() {        return "Fat id: " + id;    }}

我们可以使用Pool在管理这个创建耗时的Fat对象，该任务将签出Fat对象，持有一段时间之后再将它们签入，以此来测试Pool这个类：

class CheckoutTask<T> implements Runnable {    private static int counter = 0;    private final int id = counter++;    private Pool<T> pool;    public CheckoutTask(Pool<T> pool) {        this.pool = pool;    }     public void run() {        T item = pool.checkOut();        System.out.print(this + "checked out " + item);        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);        System.out.print(this + "checking in " + item);        pool.checkIn(item);    } catch(InterruptedException e) {    }    public String toString() {        return "CheckoutTask " + id + " ";     }}public class SemaphoreDemo {    final static int SIZE = 25;    public static void main(String[] args) {        final Pool<Fat> pool = new Pool<Fat>(Fat.class, SIZE);        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();        for(int i = 0;i < SIZE; ++i) {            exec.execute(new CheckoutTask<Fat>(pool));        }        System.out.print("All CheckoutTasks created");        List<Fat> list = new ArrayList<>();        for(int i = 0;i < SIZE; ++i) {            Fat f = pool.checkOut();            System.out.print(i + ": main() thread checked out ");            f.operation();            list.add(f);        }        Future<?> bolcked = exec.submit(new Runnable() {            public void run() {                try {                    pool.checkOut();                } catch(InterruptedException e) {                    System.out.print("checkOut() Interrupted");                }            }        });        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);        blocked.cancel(true);        System.out.print("Checking in objects in " + list);        for(Fat f : list) {            pool.checkIn(f);        }        for(Fat f : list) {            pool.checkIn(f);        }        exec.shutdown();    }}

这个示例依赖于Pool客户端严格地并愿意签入所持有的的对象， 当其工作时，这是最简单的解决方案。