concurrent包详细解释

编写多线程的程序一直都是一件比较麻烦的事情，要考虑很多事情，处理不好还会出很多意想不到的麻烦。加上现在很多开发者接触到的项目都是打着企业级旗号的B/S项目，大多数人都很少涉及多线程，这又为本文的主角增加了一份神秘感。



讲到Java多线程，大多数人脑海中跳出来的是Thread、Runnable、synchronized……这些是最基本的东西，虽然已经足够强大，但想要用好还真不容易。从JDK 1.5开始，增加了java.util.concurrent包，它的引入大大简化了多线程程序的开发（要感谢一下大牛Doug Lee）。



java.util.concurrent包分成了三个部分，分别是java.util.concurrent、java.util.concurrent.atomic和java.util.concurrent.lock。内容涵盖了并发集合类、线程池机制、同步互斥机制、线程安全的变量更新工具类、锁等等常用工具。



为了便于理解，本文使用一个例子来做说明，交代一下它的场景：

假设要对一套10个节点组成的环境进行检查，这个环境有两个入口点，通过节点间的依赖关系可以遍历到整个环境。依赖关系可以构成一张有向图，可能存在环。为了提高检查的效率，考虑使用多线程。



1、Executors

通过这个类能够获得多种线程池的实例，例如可以调用newSingleThreadExecutor()获得单线程的ExecutorService，调用newFixedThreadPool()获得固定大小线程池的ExecutorService。拿到ExecutorService可以做的事情就比较多了，最简单的是用它来执行Runnable对象，也可以执行一些实现了Callable<T>的对象。用Thread的start()方法没有返回值，如果该线程执行的方法有返回值那用ExecutorService就再好不过了，可以选择submit()、invokeAll()或者invokeAny()，根据具体情况选择合适的方法即可。

    package service;  
      
    import java.util.ArrayList;  
    import java.util.List;  
    import java.util.concurrent.ExecutionException;  
    import java.util.concurrent.ExecutorService;  
    import java.util.concurrent.Executors;  
    import java.util.concurrent.Future;  
    import java.util.concurrent.TimeUnit;  
      
    /** 
     * 线程池服务类 
     *  
     * @author DigitalSonic 
     */  
    public class ThreadPoolService {  
        /** 
         * 默认线程池大小 
         */  
        public static final int  DEFAULT_POOL_SIZE    = 5;  
      
        /** 
         * 默认一个任务的超时时间，单位为毫秒 
         */  
        public static final long DEFAULT_TASK_TIMEOUT = 1000;  
      
        private int              poolSize             = DEFAULT_POOL_SIZE;  
        private ExecutorService  executorService;  
      
        /** 
         * 根据给定大小创建线程池 
         */  
        public ThreadPoolService(int poolSize) {  
            setPoolSize(poolSize);  
        }  
      
        /** 
         * 使用线程池中的线程来执行任务 
         */  
        public void execute(Runnable task) {  
            executorService.execute(task);  
        }  
      
        /** 
         * 在线程池中执行所有给定的任务并取回运行结果，使用默认超时时间 
         *  
         * @see #invokeAll(List, long) 
         */  
        public List<Node> invokeAll(List<ValidationTask> tasks) {  
            return invokeAll(tasks, DEFAULT_TASK_TIMEOUT * tasks.size());  
        }  
      
        /** 
         * 在线程池中执行所有给定的任务并取回运行结果 
         *  
         * @param timeout 以毫秒为单位的超时时间，小于0表示不设定超时 
         * @see java.util.concurrent.ExecutorService#invokeAll(java.util.Collection) 
         */  
        public List<Node> invokeAll(List<ValidationTask> tasks, long timeout) {  
            List<Node> nodes = new ArrayList<Node>(tasks.size());  
            try {  
                List<Future<Node>> futures = null;  
                if (timeout < 0) {  
                    futures = executorService.invokeAll(tasks);  
                } else {  
                    futures = executorService.invokeAll(tasks, timeout, TimeUnit.MILLISECONDS);  
                }  
                for (Future<Node> future : futures) {  
                    try {  
                        nodes.add(future.get());  
                    } catch (ExecutionException e) {  
                        e.printStackTrace();  
                    }  
                }  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
            return nodes;  
        }  
      
        /** 
         * 关闭当前ExecutorService 
         *  
         * @param timeout 以毫秒为单位的超时时间 
         */  
        public void destoryExecutorService(long timeout) {  
            if (executorService != null && !executorService.isShutdown()) {  
                try {  
                    executorService.awaitTermination(timeout, TimeUnit.MILLISECONDS);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                executorService.shutdown();  
            }  
        }  
      
        /** 
         * 关闭当前ExecutorService，随后根据poolSize创建新的ExecutorService 
         */  
        public void createExecutorService() {  
            destoryExecutorService(1000);  
            executorService = Executors.newFixedThreadPool(poolSize);  
        }  
      
        /** 
         * 调整线程池大小 
         * @see #createExecutorService() 
         */  
        public void setPoolSize(int poolSize) {  
            this.poolSize = poolSize;  
            createExecutorService();  
        }  
    }  

这里要额外说明一下invokeAll()和invokeAny()方法。前者会执行给定的所有Callable<T>对象，等所有任务完成后返回一个包含了执行结果的List<Future<T>>，每个Future.isDone()都是true，可以用Future.get()拿到结果；后者只要完成了列表中的任意一个任务就立刻返回，返回值就是执行结果。
还有一个比较诡异的地方
本代码是在JDK 1.6下编译测试的，如果在JDK 1.5下测试，很可能在invokeAll和invokeAny的地方出错。明明ValidationTask实现了 Callable<Node>，可是它死活不认，类型不匹配，这时可以将参数声明由List<ValidationTask>改为 List<Callable<Node>>。
造成这个问题的主要原因是两个版本中invokeAll和invokeAny的方法签名不同，1.6里是invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)，而1.5里是invokeAll(Collection<Callable<T>> tasks)。网上也有人遇到类似的问题(invokeAll() is not willing to acept a Collection<Callable<T>> )。



和其他资源一样，线程池在使用完毕后也需要释放，用shutdown()方法可以关闭线程池，如果当时池里还有没有被执行的任务，它会等待任务执行完毕，在等待期间试图进入线程池的任务将被拒绝。也可以用shutdownNow()来关闭线程池，它会立刻关闭线程池，没有执行的任务作为返回值返回。



2、Lock

多线程编程中常常要锁定某个对象，之前会用synchronized来实现，现在又多了另一种选择，那就是java.util.concurrent.locks。通过Lock能够实现更灵活的锁定机制，它还提供了很多synchronized所没有的功能，例如尝试获得锁(tryLock())。



使用Lock时需要自己获得锁并在使用后手动释放，这一点与synchronized有所不同，所以通常Lock的使用方式是这样的：

 Lock l = ...;   
    l.lock();  
    try {  
        // 执行操作  
    } finally {  
        l.unlock();  
    }  

  


java.util.concurrent.locks中提供了几个Lock接口的实现类，比较常用的应该是ReentrantLock。以下范例中使用了ReentrantLock进行节点锁定：

  package service;  
      
    import java.util.concurrent.locks.Lock;  
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
      
    /** 
     * 节点类 
     *  
     * @author DigitalSonic 
     */  
    public class Node {  
        private String name;  
        private String wsdl;  
        private String result = "PASS";  
        private String[] dependencies = new String[] {};  
        private Lock lock = new ReentrantLock();  
        /** 
         * 默认构造方法 
         */  
        public Node() {  
        }  
          
        /** 
         * 构造节点对象，设置名称及WSDL 
         */  
        public Node(String name, String wsdl) {  
            this.name = name;  
            this.wsdl = wsdl;  
        }  
      
        /** 
         * 返回包含节点名称、WSDL以及验证结果的字符串 
         */  
        @Override  
        public String toString() {  
            String toString = "Node: " + name + " WSDL: " + wsdl + " Result: " + result;  
            return toString;  
        }  
          
        // Getter & Setter  
        public String getName() {  
            return name;  
        }  
      
        public void setName(String name) {  
            this.name = name;  
        }  
      
        public String getWsdl() {  
            return wsdl;  
        }  
      
        public void setWsdl(String wsdl) {  
            this.wsdl = wsdl;  
        }  
      
        public String getResult() {  
            return result;  
        }  
      
        public void setResult(String result) {  
            this.result = result;  
        }  
      
        public String[] getDependencies() {  
            return dependencies;  
        }  
      
        public void setDependencies(String[] dependencies) {  
            this.dependencies = dependencies;  
        }  
      
        public Lock getLock() {  
            return lock;  
        }  
      
    }  

 

 package service;  
      
    import java.util.concurrent.Callable;  
    import java.util.concurrent.locks.Lock;  
    import java.util.logging.Logger;  
      
    import service.mock.MockNodeValidator;  
      
    /** 
     * 执行验证的任务类 
     *  
     * @author DigitalSonic 
     */  
    public class ValidationTask implements Callable<Node> {  
        private static Logger logger = Logger.getLogger("ValidationTask");  
      
        private String        wsdl;  
      
        /** 
         * 构造方法，传入节点的WSDL 
         */  
        public ValidationTask(String wsdl) {  
            this.wsdl = wsdl;  
        }  
      
        /** 
         * 执行针对某个节点的验证<br/> 
         * 如果正有别的线程在执行同一节点的验证则等待其结果，不重复执行验证 
         */  
        @Override  
        public Node call() throws Exception {  
            Node node = ValidationService.NODE_MAP.get(wsdl);  
            Lock lock = null;  
            logger.info("开始验证节点：" + wsdl);  
            if (node != null) {  
                lock = node.getLock();  
                if (lock.tryLock()) {  
                    // 当前没有其他线程验证该节点  
                    logger.info("当前没有其他线程验证节点" + node.getName() + "[" + wsdl + "]");  
                    try {  
                        Node result = MockNodeValidator.validateNode(wsdl);  
                        mergeNode(result, node);  
                    } finally {  
                        lock.unlock();  
                    }  
                } else {  
                    // 当前有别的线程正在验证该节点，等待结果  
                    logger.info("当前有别的线程正在验证节点" + node.getName() + "[" + wsdl + "]，等待结果");  
                    lock.lock();  
                    lock.unlock();  
                }  
            } else {  
                // 从未进行过验证，这种情况应该只出现在系统启动初期  
                // 这时是在做初始化，不应该有冲突发生  
                logger.info("首次验证节点：" + wsdl);  
                node = MockNodeValidator.validateNode(wsdl);  
                ValidationService.NODE_MAP.put(wsdl, node);  
            }  
            logger.info("节点" + node.getName() + "[" + wsdl + "]验证结束，验证结果：" + node.getResult());  
            return node;  
        }  
      
        /** 
         * 将src的内容合并进dest节点中，不进行深度拷贝 
         */  
        private Node mergeNode(Node src, Node dest) {  
            dest.setName(src.getName());  
            dest.setWsdl(src.getWsdl());  
            dest.setDependencies(src.getDependencies());  
            dest.setResult(src.getResult());  
            return dest;  
        }  
    }  

  
  

请注意ValidationTask的call()方法，这里会先检查节点是否被锁定，如果被锁定则表示当前有另一个线程正在验证该节点，那就不用重复进行验证。第50行和第51行，那到锁后立即释放，这里只是为了等待验证结束。



讲到Lock，就不能不讲Conditon，前者代替了synchronized，而后者则代替了Object对象上的wait()、notify()和notifyAll()方法(Condition中提供了await()、signal()和signalAll()方法)，当满足运行条件前挂起线程。Condition是与Lock结合使用的，通过Lock.newCondition()方法能够创建与Lock绑定的Condition实例。JDK的JavaDoc中有一个例子能够很好地说明Condition的用途及用法：

    class BoundedBuffer {  
      final Lock lock = new ReentrantLock();  
      final Condition notFull  = lock.newCondition();   
      final Condition notEmpty = lock.newCondition();   
      
      final Object[] items = new Object[100];  
      int putptr, takeptr, count;  
      
      public void put(Object x) throws InterruptedException {  
        lock.lock();  
        try {  
          while (count == items.length)   
            notFull.await();  
          items[putptr] = x;   
          if (++putptr == items.length) putptr = 0;  
          ++count;  
          notEmpty.signal();  
        } finally {  
          lock.unlock();  
        }  
      }  
      
      public Object take() throws InterruptedException {  
        lock.lock();  
        try {  
          while (count == 0)   
            notEmpty.await();  
          Object x = items[takeptr];   
          if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;  
          --count;  
          notFull.signal();  
          return x;  
        } finally {  
          lock.unlock();  
        }  
      }   
    }  

说到这里，让我解释一下之前的例子里为什么没有选择Condition来等待验证结束。await()方法在调用时当前线程先要获得对应的锁，既然我都拿到锁了，那也就是说验证已经结束了。。。



3、并发集合类

集合类是大家编程时经常要使用的东西，ArrayList、HashMap什么的，java.util包中的集合类有的是线程安全的，有的则不是，在编写多线程的程序时使用线程安全的类能省去很多麻烦，但这些类的性能如何呢？java.util.concurrent包中提供了几个并发结合类，例如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue和CopyOnWriteArrayList等等，根据不同的使用场景，开发者可以用它们替换java.util包中的相应集合类。



CopyOnWriteArrayList是ArrayList的一个变体，比较适合用在读取比较频繁、修改较少的情况下，因为每次修改都要复制整个底层数组。ConcurrentHashMap中为Map接口增加了一些方法(例如putIfAbsenct())，同时做了些优化，总之灰常之好用，下面的代码中使用ConcurrentHashMap来作为全局节点表，完全无需考虑并发问题。ValidationService中只是声明(第17行)，具体的使用是在上面的ValidationTask中。

    package service;  
      
    import java.util.ArrayList;  
    import java.util.List;  
    import java.util.Map;  
    import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;  
      
    /** 
     * 执行验证的服务类 
     *  
     * @author DigitalSonic 
     */  
    public class ValidationService {  
        /** 
         * 全局节点表 
         */  
        public static final Map<String, Node> NODE_MAP = new ConcurrentHashMap<String, Node>();  
      
        private ThreadPoolService threadPoolService;  
          
        public ValidationService(ThreadPoolService threadPoolService) {  
            this.threadPoolService = threadPoolService;  
        }  
      
        /** 
         * 给出一个入口节点的WSDL，通过广度遍历的方式验证与其相关的各个节点 
         *  
         * @param wsdl 入口节点WSDL 
         */  
        public void validate(List<String> wsdl) {  
            List<String> visitedNodes = new ArrayList<String>();  
            List<String> nextRoundNodes = new ArrayList<String>();  
      
            nextRoundNodes.addAll(wsdl);  
            while (nextRoundNodes.size() > 0) {  
                List<ValidationTask> tasks = getTasks(nextRoundNodes);  
                List<Node> nodes = threadPoolService.invokeAll(tasks);  
      
                visitedNodes.addAll(nextRoundNodes);  
                nextRoundNodes.clear();  
                getNextRoundNodes(nodes, visitedNodes, nextRoundNodes);  
            }  
        }  
      
        private List<String> getNextRoundNodes(List<Node> nodes,  
                List<String> visitedNodes, List<String> nextRoundNodes) {  
            for (Node node : nodes) {  
                for (String wsdl : node.getDependencies()) {  
                    if (!visitedNodes.contains(wsdl)) {  
                        nextRoundNodes.add(wsdl);  
                    }  
                }  
            }  
            return nextRoundNodes;  
        }  
      
        private List<ValidationTask> getTasks(List<String> nodes) {  
            List<ValidationTask> tasks = new ArrayList<ValidationTask>(nodes.size());  
            for (String wsdl : nodes) {  
                tasks.add(new ValidationTask(wsdl));  
            }  
            return tasks;  
        }  
    }  

4、AtomicInteger

对变量的读写操作都是原子操作（除了long或者double的变量），但像数值类型的++ --操作不是原子操作，像i++中包含了获得i的原始值、加1、写回i、返回原始值，在进行类似i++这样的操作时如果不进行同步问题就大了。好在java.util.concurrent.atomic为我们提供了很多工具类，可以以原子方式更新变量。



以AtomicInteger为例，提供了代替++ --的getAndIncrement()、incrementAndGet()、getAndDecrement()和decrementAndGet()方法，还有加减给定值的方法、当前值等于预期值时更新的compareAndSet()方法。



下面的例子中用AtomicInteger保存全局验证次数(第69行做了自增的操作)，因为validateNode()方法会同时被多个线程调用，所以直接用int不同步是不行的，但用AtomicInteger在这种场合下就很合适。

    package service.mock;  
      
    import java.util.ArrayList;  
    import java.util.HashMap;  
    import java.util.List;  
    import java.util.Map;  
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;  
    import java.util.logging.Logger;  
      
    import service.Node;  
      
    /** 
     * 模拟执行节点验证的Mock类 
     *  
     * @author DigitalSonic 
     */  
    public class MockNodeValidator {  
        public static final List<Node>         ENTRIES  = new ArrayList<Node>();  
        private static final Map<String, Node> NODE_MAP = new HashMap<String, Node>();  
      
        private static AtomicInteger           count    = new AtomicInteger(0);  
        private static Logger                  logger   = Logger.getLogger("MockNodeValidator");  
      
        /* 
         * 构造模拟数据 
         */  
        static {  
            Node node0 = new Node("NODE0", "http://node0/check?wsdl"); //入口0  
            Node node1 = new Node("NODE1", "http://node1/check?wsdl");  
            Node node2 = new Node("NODE2", "http://node2/check?wsdl");  
            Node node3 = new Node("NODE3", "http://node3/check?wsdl");  
            Node node4 = new Node("NODE4", "http://node4/check?wsdl");  
            Node node5 = new Node("NODE5", "http://node5/check?wsdl");  
            Node node6 = new Node("NODE6", "http://node6/check?wsdl"); //入口1  
            Node node7 = new Node("NODE7", "http://node7/check?wsdl");  
            Node node8 = new Node("NODE8", "http://node8/check?wsdl");  
            Node node9 = new Node("NODE9", "http://node9/check?wsdl");  
      
            node0.setDependencies(new String[] { node1.getWsdl(), node2.getWsdl() });  
            node1.setDependencies(new String[] { node3.getWsdl(), node4.getWsdl() });  
            node2.setDependencies(new String[] { node5.getWsdl() });  
            node6.setDependencies(new String[] { node7.getWsdl(), node8.getWsdl() });  
            node7.setDependencies(new String[] { node5.getWsdl(), node9.getWsdl() });  
            node8.setDependencies(new String[] { node3.getWsdl(), node4.getWsdl() });  
      
            node2.setResult("FAILED");  
      
            NODE_MAP.put(node0.getWsdl(), node0);  
            NODE_MAP.put(node1.getWsdl(), node1);  
            NODE_MAP.put(node2.getWsdl(), node2);  
            NODE_MAP.put(node3.getWsdl(), node3);  
            NODE_MAP.put(node4.getWsdl(), node4);  
            NODE_MAP.put(node5.getWsdl(), node5);  
            NODE_MAP.put(node6.getWsdl(), node6);  
            NODE_MAP.put(node7.getWsdl(), node7);  
            NODE_MAP.put(node8.getWsdl(), node8);  
            NODE_MAP.put(node9.getWsdl(), node9);  
      
            ENTRIES.add(node0);  
            ENTRIES.add(node6);  
        }  
      
        /** 
         * 模拟执行远程验证返回节点，每次调用等待500ms 
         */  
        public static Node validateNode(String wsdl) {  
            Node node = cloneNode(NODE_MAP.get(wsdl));  
            logger.info("验证节点" + node.getName() + "[" + node.getWsdl() + "]");  
            count.getAndIncrement();  
            try {  
                Thread.sleep(500);  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
            return node;  
        }  
      
        /** 
         * 获得计数器的值 
         */  
        public static int getCount() {  
            return count.intValue();  
        }  
      
        /** 
         * 克隆一个新的Node对象（未执行深度克隆） 
         */  
        public static Node cloneNode(Node originalNode) {  
            Node newNode = new Node();  
      
            newNode.setName(originalNode.getName());  
            newNode.setWsdl(originalNode.getWsdl());  
            newNode.setResult(originalNode.getResult());  
            newNode.setDependencies(originalNode.getDependencies());  
      
            return newNode;  
        }  
    }  

上述代码还有另一个功能，就是构造测试用的节点数据，一共10个节点，有2个入口点，通过这两个点能够遍历整个系统。每次调用会模拟远程访问，等待500ms。环境间节点依赖如下：
环境依赖

Node0 [Node1, Node2]
Node1 [Node3, Node4]
Node2 [Node5]
Node6 [Node7, Node8]
Node7 [Node5, Node9]
Node8 [Node3, Node4]

 

5、CountDownLatch

CountDownLatch是一个一次性的同步辅助工具，允许一个或多个线程一直等待，直到计数器值变为0。它有一个构造方法，设定计数器初始值，即在await()结束等待前需要调用多少次countDown()方法。CountDownLatch的计数器不能重置，所以说它是“一次性”的，如果需要重置计数器，可以使用CyclicBarrier。在运行环境检查的主类中，使用了CountDownLatch来等待所有验证结束，在各个并发验证的线程完成任务结束前都会调用countDown()，因为有3个并发的验证，所以将计数器设置为3。



最后将所有这些类整合起来，运行环境检查的主类如下。它会创建线程池服务和验证服务，先做一次验证(相当于是对系统做次初始化)，随后并发3个验证请求。系统运行完毕会显示实际执行的节点验证次数和执行时间。如果是顺序执行，验证次数应该是13*4=52，但实际的验证次数会少于这个数字(我这里最近一次执行了33次验证)，因为如果同时有两个线程要验证同一节点时只会做一次验证。关于时间，如果是顺序执行，52次验证每次等待500ms，那么验证所耗费的时间应该是26000ms，使用了多线程后的实际耗时远小于该数字(最近一次执行耗时4031ms)。

    package service.mock;  
      
    import java.util.ArrayList;  
    import java.util.List;  
    import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
      
    import service.Node;  
    import service.ThreadPoolService;  
    import service.ValidationService;  
      
    /** 
     * 模拟执行这个环境的验证 
     *  
     * @author DigitalSonic 
     */  
    public class ValidationStarter implements Runnable {  
        private List<String>      entries;  
        private ValidationService validationService;  
        private CountDownLatch    signal;  
      
        public ValidationStarter(List<String> entries, ValidationService validationService,  
                CountDownLatch signal) {  
            this.entries = entries;  
            this.validationService = validationService;  
            this.signal = signal;  
        }  
      
        /** 
         * 线程池大小为10，初始化执行一次，随后并发三个验证 
         */  
        public static void main(String[] args) {  
            ThreadPoolService threadPoolService = new ThreadPoolService(10);  
            ValidationService validationService = new ValidationService(threadPoolService);  
            List<String> entries = new ArrayList<String>();  
            CountDownLatch signal = new CountDownLatch(3);  
            long start;  
            long stop;  
      
            for (Node node : MockNodeValidator.ENTRIES) {  
                entries.add(node.getWsdl());  
            }  
      
            start = System.currentTimeMillis();  
      
            validationService.validate(entries);  
            threadPoolService.execute(new ValidationStarter(entries, validationService, signal));  
            threadPoolService.execute(new ValidationStarter(entries, validationService, signal));  
            threadPoolService.execute(new ValidationStarter(entries, validationService, signal));  
      
            try {  
                signal.await();  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
      
            stop = System.currentTimeMillis();  
            threadPoolService.destoryExecutorService(1000);  
            System.out.println("实际执行验证次数: " + MockNodeValidator.getCount());  
            System.out.println("实际执行时间: " + (stop - start) + "ms");  
        }  
      
        @Override  
        public void run() {  
            validationService.validate(entries);  
            signal.countDown();  
        }  
      
    }