java多線程 之 實戰篇

 線程的建立和啟動
　　
　　java語言已經內建了多線程支援，所有實現Runnable介面的類都可被啟動一個新線程，新線程會執行該執行個體的run()方法，當run()方法執行完畢後，線程就結束了。一旦一個線程執行完畢，這個執行個體就不能再重新啟動，只能重建一個新執行個體，再啟動一個新線程。
　　
　　Thread類是實現了Runnable介面的一個執行個體，它代表一個線程的執行個體，並且，啟動線程的唯一方法就是通過Thread類的start()執行個體方法：
　　
　　Thread t = new Thread();
　　t.start();
　　
　　start()方法是一個native方法，它將啟動一個新線程，並執行run()方法。Thread類預設的run()方法什麼也不做就退出了。注意：直接調用run()方法並不會啟動一個新線程，它和調用一個普通的java方法沒有什麼區別。
　　
　　因此，有兩個方法可以實現自己的線程：
　　
　　方法1：自己的類extend Thread，並複寫run()方法，就可以啟動新線程並執行自己定義的run()方法。例如：
　　
　　public class MyThread extends Thread {
　　public run() {
　　System.out.println("MyThread.run()");
　　}
　　}
　　
　　在合適的地方啟動線程：new MyThread().start();
　　
　　方法2：如果自己的類已經extends另一個類，就無法直接extends Thread，此時，必須實現一個Runnable介面：
　　
　　public class MyThread extends OtherClass implements Runnable {
　　public run() {
　　System.out.println("MyThread.run()");
　　}
　　}
　　
　　為了啟動MyThread，需要首先執行個體化一個Thread，並傳入自己的MyThread執行個體：
　　
　　MyThread myt = new MyThread();
　　Thread t = new Thread(myt);
　　t.start();
　　
　　事實上，當傳入一個Runnable target參數給Thread後，Thread的run()方法就會調用target.run()，參考JDK原始碼：
　　
　　public void run() {
　　if (target != null) {
　　target.run();
　　}
　　}
　　
　　線程還有一些Name, ThreadGroup, isDaemon等設定，由於和線程設計模式關聯很少，這裡就不多說了。
　　
　　線程同步
　　
　　由於同一進程內的多個線程共用記憶體空間，在Java中，就是共用執行個體，當多個線程試圖同時修改某個執行個體的內容時，就會造成衝突，因此，線程必須實現共用互斥，使多線程同步。
　　
　　最簡單的同步是將一個方法標記為synchronized，對同一個執行個體來說，任一時刻只能有一個synchronized方法在執行。當一個方法正在執行某個synchronized方法時，其他線程如果想要執行這個執行個體的任意一個synchronized方法，都必須等待當前執行synchronized方法的線程退出此方法後，才能依次執行。
　　
　　但是，非synchronized方法不受影響，不管當前有沒有執行synchronized方法，非synchronized方法都可以被多個線程同時執行。
　　
　　此外，必須注意，只有同一執行個體的synchronized方法同一時間只能被一個線程執行，不同執行個體的synchronized方法是可以並發的。例如，class A定義了synchronized方法sync()，則不同執行個體a1.sync()和a2.sync()可以同時由兩個線程來執行。
　　
　　Java鎖機制
　　
　　多線程同步的實現最終依賴鎖機制。我們可以想象某一共用資源是一間屋子，每個人都是一個線程。當A希望進入房間時，他必須獲得門鎖，一旦A獲得門鎖，他進去後就立刻將門鎖上，於是B,C,D...就不得不在門外等待，直到A釋放鎖出來後，B,C,D...中的某一人搶到了該鎖（具體搶法依賴於JVM的實現，可以先到先得，也可以隨機挑選），然後進屋又將門鎖上。這樣，任一時刻最多有一人在屋內（使用共用資源）。
　　
　　Java語言規範內建了對多線程的支援。對於Java程式來說，每一個對象執行個體都有一把“鎖”，一旦某個線程獲得了該鎖，別的線程如果希望獲得該鎖，只能等待這個線程釋放鎖之後。獲得鎖的方法只有一個，就是synchronized關鍵字。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; } 事實上相當於：
　　
　　public void setCount(int count) {
　　synchronized(this) { // 在此獲得this鎖
　　this.count = count;
　　} // 在此釋放this鎖
　　}
　　
　　紅色部分表示需要同步的程式碼片段，該地區為“危險地區”，如果兩個以上的線程同時執行，會引發衝突，因此，要更改SharedResource的內部狀態，必須先獲得SharedResource執行個體的鎖。
　　
　　退出synchronized塊時，線程擁有的鎖自動釋放，於是，別的線程又可以擷取該鎖了。
　　
　　為了提高效能，不一定要鎖定this，例如，SharedResource有兩個獨立變化的變數：
　　
　　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; }
　　}
　　
　　若同步整個方法，則setA()的時候無法setB()，setB()時無法setA()。為了提高效能，可以使用不同對象的鎖：
　　
　　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;
　　}
　　}
　　}

wait()/notify()
　　
　　通常，多線程之間需要協調工作。例如，瀏覽器的一個顯示圖片的線程displayThread想要執行顯示圖片的任務，必須等待下載線程downloadThread將該圖片下載完畢。如果圖片還沒有下載完，displayThread可以暫停，當downloadThread完成了任務後，再通知displayThread“圖片準備完畢，可以顯示了”，這時，displayThread繼續執行。
　　
　　以上邏輯簡單的說就是：如果條件不滿足，則等待。當條件滿足時，等待該條件的線程將被喚醒。在Java中，這個機制的實現依賴於wait/notify。等待機制與鎖機制是密切關聯的。例如：
　　
　　synchronized(obj) {
　　while(!condition) {
　　obj.wait();
　　}
　　obj.doSomething();
　　}
　　
　　當線程A獲得了obj鎖後，發現條件condition不滿足，無法繼續下一處理，於是線程A就wait()。
　　
　　在另一線程B中，如果B更改了某些條件，使得線程A的condition條件滿足了，就可以喚醒線程A：
　　
　　synchronized(obj) {
　　condition = true;
　　obj.notify();
　　}
　　
　　需要注意的概念是：
　　
　　# 調用obj的wait(), notify()方法前，必須獲得obj鎖，也就是必須寫在synchronized(obj) {...} 程式碼片段內。
　　
　　# 調用obj.wait()後，線程A就釋放了obj的鎖，否則線程B無法獲得obj鎖，也就無法在synchronized(obj) {...} 程式碼片段內喚醒A。
　　
　　# 當obj.wait()方法返回後，線程A需要再次獲得obj鎖，才能繼續執行。
　　
　　# 如果A1,A2,A3都在obj.wait()，則B調用obj.notify()只能喚醒A1,A2,A3中的一個（具體哪一個由JVM決定）。
　　
　　# obj.notifyAll()則能全部喚醒A1,A2,A3，但是要繼續執行obj.wait()的下一條語句，必須獲得obj鎖，因此，A1,A2,A3隻有一個有機會獲得鎖繼續執行，例如A1，其餘的需要等待A1釋放obj鎖之後才能繼續執行。
　　
　　# 當B調用obj.notify/notifyAll的時候，B正持有obj鎖，因此，A1,A2,A3雖被喚醒，但是仍無法獲得obj鎖。直到B退出synchronized塊，釋放obj鎖後，A1,A2,A3中的一個才有機會獲得鎖繼續執行。
　　
　　wait()/sleep()的區別
　　
　　前面講了wait/notify機制，Thread還有一個sleep()靜態方法，它也能使線程暫停一段時間。sleep與wait的不同點是：sleep並不釋放鎖，並且sleep的暫停和wait暫停是不一樣的。obj.wait會使線程進入obj對象的等待集合中並等待喚醒。
　　
　　但是wait()和sleep()都可以通過interrupt()方法打斷線程的暫停狀態，從而使線程立刻拋出InterruptedException。
　　
　　如果線程A希望立即結束線程B，則可以對線程B對應的Thread執行個體調用interrupt方法。如果此刻線程B正在wait/sleep/join，則線程B會立刻拋出InterruptedException，在catch() {} 中直接return即可安全地結束線程。
　　
　　需要注意的是，InterruptedException是線程自己從內部拋出的，並不是interrupt()方法拋出的。對某一線程調用interrupt()時，如果該線程正在執行普通的代碼，那麼該線程根本就不會拋出InterruptedException。但是，一旦該線程進入到wait()/sleep()/join()後，就會立刻拋出InterruptedException。
　　
　　GuardedSuspention
　　
　　GuardedSuspention模式主要思想是：
　　
　　當條件不滿足時，線程等待，直到條件滿足時，等待該條件的線程被喚醒。
　　
　　我們設計一個用戶端線程和一個伺服器線程，用戶端線程不斷髮送請求給伺服器線程，伺服器線程不斷處理請求。當請求隊列為空白時，伺服器線程就必須等待，直到用戶端發送了請求。
　　
　　先定義一個請求隊列：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();
　　}
　　
　　}
　　
　　藍色部分就是伺服器線程的等待條件，而用戶端線程在放入了一個request後，就使伺服器線程等待條件滿足，於是喚醒伺服器線程。
　　
　　用戶端線程：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.");
　　}
　　}
　　
　　伺服器線程：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.");
　　}
　　}
　　
　　伺服器線程在紅色部分可能會阻塞，也就是說，Queue.getRequest是一個阻塞方法。這和java標準庫的許多IO方法類似。
　　
　　最後，寫一個Main來啟動他們：
　　
　　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();
　　}
　　}
　　
　　我們啟動了5個用戶端線程和一個伺服器線程，運行結果如下：
　　
　　[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
　　......
　　
　　可以觀察到ServerThread處理來自不同用戶端的請求。
　　
　　思考
　　
　　Q: 伺服器線程的wait條件while(queue.size()==0)能否換成if(queue.size()==0)?
　　
　　A: 在這個例子中可以，因為伺服器線程只有一個。但是，如果伺服器線程有多個（例如Web應用程式有多個線程處理並發請求，這非常普遍），就會造成嚴重問題。
　　
　　Q: 能否用sleep(1000)代替wait()?
　　
　　A: 絕對不可以。sleep()不會釋放鎖，因此sleep期間別的線程根本沒有辦法調用getRequest()和putRequest()，導致所有相關線程都被阻塞。
　　
　　Q: (Request)queue.remove(0)可以放到synchronized() {}塊外面嗎？
　　
　　A: 不可以。因為while()是測試queue，remove()是使用queue，兩者是一個原子操作，不能放在synchronized外面。
　　
　　總結
　　
　　多線程設計看似簡單，實際上必須非常仔細地考慮各種鎖定/同步的條件，稍不小心，就可能犯錯！