java.util.concurrent 介绍和使用 第2部分

Question

并发 Collections 提供了线程安全、经过良好调优的数据结构，简化了并发编程。然而，在一些情形下，开发人员需要更进一步，思考如何调节和/或限制线程执行。由于 java.util.concurrent 的总体目标是简化多线程编程，您可能希望该包包含同步实用程序，而它确实包含。

本文是 第 1 部分 的延续，将介绍几个比核心语言原语（监视器）更高级的同步结构，但它们还未包含在 Collection 类中。一旦您了解了这些锁和门的用途，使用它们将非常直观。

关于本系列

您觉得自己懂 Java 编程？事实是，大多数开发人员都只领会到了 Java 平台的皮毛，所学也只够应付工作。在本 本系列 中，Ted Neward 深度挖掘 Java 平台的核心功能，揭示一些鲜为人知的事实，帮助您解决最棘手的编程困难。

1. Semaphore

在一些企业系统中，开发人员经常需要限制未处理的特定资源请求（线程/操作）数量，事实上，限制有时候能够提高系统的吞吐量，因为它们减少了对特定资源的争用。尽管完全可以手动编写限制代码，但使用 Semaphore 类可以更轻松地完成此任务，它将帮您执行限制，如清单 1 所示：

清单 1. 使用 Semaphore 执行限制

import java.util.*;import java.util.concurrent.*;

public class SemApp
{
  public static void main(String[] args)
  {
    Runnable limitedCall = new Runnable() {
      final Random rand = new Random();
      final Semaphore available = new Semaphore(3);
      int count = 0;
      public void run()
      {
        int time = rand.nextInt(15);
        int num = count++;

        try
        {
          available.acquire();

          System.out.println("Executing " +
            "long-running action for " +
            time + " seconds... #" + num);

          Thread.sleep(time * 1000);

          System.out.println("Done with #" +
            num + "!");

          available.release();
        }
        catch (InterruptedException intEx)
        {
          intEx.printStackTrace();
        }
      }
    };

    for (int i=0; i<10; i++)
      new Thread(limitedCall).start();
  }
}

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即使本例中的 10 个线程都在运行（您可以对运行 SemApp 的 Java 进程执行 jstack 来验证），但只有 3 个线程是活跃的。在一个信号计数器释放之前，其他 7 个线程都处于空闲状态。（实际上， Semaphore 类支持一次获取和释放多个 permit ，但这不适用于本场景。）

2. CountDownLatch

如果 Semaphore 是允许一次进入一个（这可能会勾起一些流行夜总会的保安的记忆）线程的并发性类，那么 CountDownLatch 就像是赛马场的起跑门栅。此类持有所有空闲线程，直到满足特定条件，这时它将会一次释放所有这些线程。

清单 2. CountDownLatch：让我们去赛马吧！

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;

class Race
{
  private Random rand = new Random();

  private int distance = rand.nextInt(250);
  private CountDownLatch start;
  private CountDownLatch finish;

  private List<String> horses = new ArrayList<String>();

  public Race(String... names)
  {
    this.horses.addAll(Arrays.asList(names));
  }

  public void run()
    throws InterruptedException
  {
    System.out.println("And the horses are stepping up to the gate...");
    final CountDownLatch start = new CountDownLatch(1);
    final CountDownLatch finish = new CountDownLatch(horses.size());
    final List<String> places =
      Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());

    for (final String h : horses)
    {
      new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
          try
          {
            System.out.println(h +
              " stepping up to the gate...");
            start.await();

            int traveled = 0;
            while (traveled < distance)
            {
              // In a 0-2 second period of time....
              Thread.sleep(rand.nextInt(3) * 1000);

              // ... a horse travels 0-14 lengths
              traveled += rand.nextInt(15);
              System.out.println(h +
                " advanced to " + traveled + "!");
            }
            finish.countDown();
            System.out.println(h +
              " crossed the finish!");
            places.add(h);
          }
          catch (InterruptedException intEx)
          {
            System.out.println("ABORTING RACE!!!");
            intEx.printStackTrace();
          }
        }
      }).start();
    }

    System.out.println("And... they're off!");
    start.countDown();

    finish.await();
    System.out.println("And we have our winners!");
    System.out.println(places.get(0) + " took the gold...");
    System.out.println(places.get(1) + " got the silver...");
    System.out.println("and " + places.get(2) + " took home the bronze.");
  }
}

public class CDLApp
{
  public static void main(String[] args)
    throws InterruptedException, java.io.IOException
  {
    System.out.println("Prepping...");

    Race r = new Race(
      "Beverly Takes a Bath",
      "RockerHorse",
      "Phineas",
      "Ferb",
      "Tin Cup",
      "I'm Faster Than a Monkey",
      "Glue Factory Reject"
      );

    System.out.println("It's a race of " + r.getDistance() + " lengths");

    System.out.println("Press Enter to run the race....");
    System.in.read();

    r.run();
  }
}

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注意，在 清单 2 中， CountDownLatch 有两个用途：首先，它同时释放所有线程，模拟马赛的起点，但随后会设置一个门闩模拟马赛的终点。这样，”主” 线程就可以输出结果。 为了让马赛有更多的输出注释，可以在赛场的 “转弯处” 和 “半程” 点，比如赛马跨过跑道的四分之一、二分之一和四分之三线时，添加 CountDownLatch 。

3. Executor

清单 1 和 清单 2 中的示例都存在一个重要的缺陷，它们要求您直接创建 Thread 对象。这可以解决一些问题，因为在一些 JVM 中，创建 Thread 是一项重量型的操作，重用现有 Thread 比创建新线程要容易得多。而在另一些 JVM 中，情况正好相反： Thread 是轻量型的，可以在需要时很容易地新建一个线程。当然，如果 Murphy 拥有自己的解决办法（他通常都会拥有），那么您无论使用哪种方法对于您最终将部署的平台都是不对的。

JSR-166 专家组在一定程度上预测到了这一情形。Java 开发人员无需直接创建 Thread ，他们引入了 Executor 接口，这是对创建新线程的一种抽象。如清单 3 所示， Executor 使您不必亲自对 Thread 对象执行 new 就能够创建新线程：

清单 3. Executor

Executor exec = getAnExecutorFromSomeplace();
exec.execute(new Runnable() { ... });

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使用 Executor 的主要缺陷与我们在所有工厂中遇到的一样：工厂必须来自某个位置。不幸的是，与 CLR 不同，JVM 没有附带一个标准的 VM 级线程池。

Executor 类 实际上 充当着一个提供 Executor 实现实例的共同位置，但它只有 new 方法（例如用于创建新线程池）；它没有预先创建实例。所以您可以自行决定是否希望在代码中创建和使用 Executor 实例。（或者在某些情况下，您将能够使用所选的容器/平台提供的实例。）

ExecutorService 随时可以使用

尽管不必担心 Thread 来自何处，但 Executor 接口缺乏 Java 开发人员可能期望的某种功能，比如结束一个用于生成结果的线程并以非阻塞方式等待结果可用。（这是桌面应用程序的一个常见需求，用户将执行需要访问数据库的 UI 操作，然后如果该操作花费了很长时间，可能希望在它完成之前取消它。）

对于此问题，JSR-166 专家创建了一个更加有用的抽象（ ExecutorService 接口），它将线程启动工厂建模为一个可集中控制的服务。例如，无需每执行一项任务就调用一次 execute() ， ExecutorService 可以接受一组任务并返回一个表示每项任务的未来结果的 未来列表 。

4. ScheduledExecutorServices

尽管 ExecutorService 接口非常有用，但某些任务仍需要以计划方式执行，比如以确定的时间间隔或在特定时间执行给定的任务。这就是 ScheduledExecutorService 的应用范围，它扩展了 ExecutorService 。

如果您的目标是创建一个每隔 5 秒跳一次的 “心跳” 命令，使用 ScheduledExecutorService 可以轻松实现，如清单 4 所示：

清单 4. ScheduledExecutorService 模拟心跳

import java.util.concurrent.*;

public class Ping
{
  public static void main(String[] args)
  {
    ScheduledExecutorService ses =
      Executors.newScheduledThreadPool(1);
    Runnable pinger = new Runnable() {
      public void run() {
        System.out.println("PING!");
      }
    };
    ses.scheduleAtFixedRate(pinger, 5, 5, TimeUnit.SECONDS);
  }
}

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这项功能怎么样？不用过于担心线程，不用过于担心用户希望取消心跳时会发生什么，也不用明确地将线程标记为前台或后台；只需将所有的计划细节留给 ScheduledExecutorService 。

顺便说一下，如果用户希望取消心跳， scheduleAtFixedRate 调用将返回一个 ScheduledFuture 实例，它不仅封装了结果（如果有），还拥有一个 cancel 方法来关闭计划的操作。

5. Timeout 方法

为阻塞操作设置一个具体的超时值（以避免死锁）的能力是 java.util.concurrent 库相比起早期并发特性的一大进步，比如监控锁定。

这些方法几乎总是包含一个 int/TimeUnit 对，指示这些方法应该等待多长时间才释放控制权并将其返回给程序。它需要开发人员执行更多工作 — 如果没有获取锁，您将如何重新获取？ — 但结果几乎总是正确的：更少的死锁和更加适合生产的代码。（关于编写生产就绪代码的更多信息，请参见 参考资料 中 Michael Nygard 编写的 Release It! 。）

结束语

java.util.concurrent 包还包含了其他许多好用的实用程序，它们很好地扩展到了 Collections 之外，尤其是在 .locks 和 .atomic 包中。深入研究，您还将发现一些有用的控制结构，比如 CyclicBarrier 等。

与 Java 平台的许多其他方面一样，您无需费劲地查找可能非常有用的基础架构代码。在编写多线程代码时，请记住本文讨论的实用程序和 上一篇文章 中讨论的实用程序。

下一次，我们将进入一个新的主题： 关于 Jars 您不知道的 5 件事。