【JAVA】Concurrent

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。
Java代码 
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;  
 
 
public class ThreadPoolService {  
     
    public static final int  DEFAULT_POOL_SIZE    = 5;  
 
     
    public static final long DEFAULT_TASK_TIMEOUT = 1000;  
 
    private int              poolSize             = DEFAULT_POOL_SIZE;  
    private ExecutorService  executorService;  
 
     
    public ThreadPoolService(int poolSize) {  
        setPoolSize(poolSize);  
    }  
 
     
    public void execute(Runnable task) {  
        executorService.execute(task);  
    }  
 
     
    public List<Node> invokeAll(List<ValidationTask> tasks) {  
        return invokeAll(tasks, DEFAULT_TASK_TIMEOUT * tasks.size());  
    }  
 
     
    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;  
    }  
 
     
    public void destoryExecutorService(long timeout) {  
        if (executorService != null && !executorService.isShutdown()) {  
            try {  
                executorService.awaitTermination(timeout, TimeUnit.MILLISECONDS);  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
            executorService.shutdown();  
        }  
    }  
 
     
    public void createExecutorService() {  
        destoryExecutorService(1000);  
        executorService = Executors.newFixedThreadPool(poolSize);  
    }  
 
     
    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：
Java代码 
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：
Java代码 
package service;  
 
import java.util.concurrent.locks.Lock;  
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
 
 
public class Node {  
    private String name;  
    private String wsdl;  
    private String result = "PASS";  
    private String[] dependencies = new String[] {};  
    private Lock lock = new ReentrantLock();  
     
    public Node() {  
    }  
      
     
    public Node(String name, String wsdl) {  
        this.name = name;  
        this.wsdl = wsdl;  
    }  
 
     
    @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;  
    }  
 
} 
Java代码 
package service;  
 
import java.util.concurrent.Callable;  
import java.util.concurrent.locks.Lock;  
import java.util.logging.Logger;  
 
import service.mock.MockNodeValidator;  
 
 
public class ValidationTask implements Callable<Node> {  
    private static Logger logger = Logger.getLogger("ValidationTask");  
 
    private String        wsdl;  
 
     
    public ValidationTask(String wsdl) {  
        this.wsdl = wsdl;  
    }  
 
     
    @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;  
    }  
 
     
    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：
Java代码 
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。
Java代码 
package service;  
 
import java.util.ArrayList;  
import java.util.List;  
import java.util.Map;  
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;  
 
 
public class ValidationService {  
     
    public static final Map<String, Node> NODE_MAP = new ConcurrentHashMap<String, Node>();  
 
    private ThreadPoolService threadPoolService;  
      
    public ValidationService(ThreadPoolService threadPoolService) {  
        this.threadPoolService = threadPoolService;  
    }  
 
     
    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。
Java代码 
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;  
 
 
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");  
 
     
    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);  
    }  
 
     
    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;  
    }  
 
     
    public static int getCount() {  
        return count.intValue();  
    }  
 
     
    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)。
Java代码 
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;  
 
 
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;  
    }  
 
     
    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();  
    }  
 
} 
  
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本文没有覆盖java.util.concurrent中的所有内容，只是挑选一些比较常用的东西，想要获得更多详细信息请阅读JavaDoc。自打有了“轮子”理论，重复造大轮子的情况的确少了，但还是有人会做些小轮子，例如编写多线程程序时用到的小工具(线程池、锁等等)，如果可以，请让自己再“懒惰”一点吧