java多线程设计模式.docx
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java多线程设计模式
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[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。
思考
Q:
服务器线程的wait条件while（queue.size（）==0）能否换成if（queue.size（）==0）?
A:
在这个例子中可以，因为服务器线程只有一个。
但是，如果服务器线程有多个（例如Web应用程序有多个线程处理并发请求，这非常普遍），就会造成严重问题。
Q:
能否用sleep（1000）代替wait（）?
A:
绝对不可以。
sleep（）不会释放锁，因此sleep期间别的线程根本没有办法调用getRequest（）和putRequest（），导致所有相关线程都被阻塞。
Q:
（Request）queue.remove（0）可以放到synchronized（） {}块外面吗？
A:
不可以。
因为while（）是测试queue，remove（）是使用queue，两者是一个原子操作，不能放在synchronized外面。
总结
多线程设计看似简单，实际上必须非常仔细地考虑各种锁定/同步的条件，稍不小心，就可能出错。
并且，当线程较少时，很可能发现不了问题，一旦问题出现又难以调试。
所幸的是，已有一些被验证过的模式可以供我们使用，我们会继续介绍一些常用的多线程设计模式。
前面谈了多线程应用程序能极大地改善用户相应。
例如对于一个Web应用程序，每当一个用户请求服务器连接时，服务器就可以启动一个新线程为用户服务。
然而，创建和销毁线程本身就有一定的开销，如果频繁创建和销毁线程，CPU和内存开销就不可忽略，垃圾收集器还必须负担更多的工作。
因此，线程池就是为了避免频繁创建和销毁线程。
每当服务器接受了一个新的请求后，服务器就从线程池中挑选一个等待的线程并执行请求处理。
处理完毕后，线程并不结束，而是转为阻塞状态再次被放入线程池中。
这样就避免了频繁创建和销毁线程。
Worker Pattern实现了类似线程池的功能。
首先定义Task接口：
package com.crackj2ee.thread;
public interface Task {
void execute（）;
}
线程将负责执行execute（）方法。
注意到任务是由子类通过实现execute（）方法实现的，线程本身并不知道自己执行的任务。
它只负责运行一个耗时的execute（）方法。
具体任务由子类实现，我们定义了一个CalculateTask和一个TimerTask：
// CalculateTask.java
package com.crackj2ee.thread;
public class CalculateTask implements Task {
private static int count = 0;
private int num = count;
public CalculateTask（） {
count++;
}
public void execute（） {
System.out.println（"[CalculateTask " + num + "] start..."）;
try {
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