线程笔记之并发同步

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Thread

Java thread concurrent

在应用编程中，我们会遇到下面这样的调用模型。。。

当一个业务方法（begin）中顺序调用多个子业务方法（opertion1-N），且有些子业务方法比较耗时，那么自然而然完成这次调用所需要的时间就比较长了。对于这样的问题，通常情况下会从两个方面对其进行重构和调优：

单个方法调优，即针对operation1-N中比较耗时的方法进行重构已达到期望的效果
业务重组和方法重构，即对整个大的业务方法进行重组，找出合乎当前需求（功能和性能）的实现方式

1比较好理解，最常见的就是sql语句，IO和string buffer方面的调优；2则需要看具体的应用场景了。由于本文主要是侧重线程的并发与同步，所以我将例举一个比较特殊的场景（webservices 远程调用）。如下：

对照上述序列图，若每一个operation方法都将进行一次远程webservice调用，那么一次调用的代价就要包含网络通信方面的开销。如果网络延时很高，多次远程调用的代价就相当大了。那么该如果结合上面的第2点进行重构和调优呢？

减少网络调用次数。例如 operation1->API1，operation2->API2，那么是否可以提供一个包含API1和API2的新API12供其调用呢？这样一次调用就可以达到目的。
多线程调用。如，让operation1与operation2并发，这样调用所需要的时间则为max(cost(operation1), cost(operation2))。这样做会大大提高系统的复杂性，谨慎而为之。

接下来进入主题，谈谈并发的具体实现方式。

基本测试类ConcurrentSimpleTest

public class ConcurrentSimpleTest {

	public void method1() {
		System.out.println("before exec method1");
		try {
			Thread.sleep(400);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			System.out.println("method1 has been interrupted.");
			e.printStackTrace();
			
		}
		System.out.println("after exec method1");
	}

	public void method2() {
		System.out.println("before exec method2");
		try {
			Thread.sleep(800);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			System.out.println("method2 has been interrupted.");
			e.printStackTrace();
			
		}
		System.out.println("after exec method2");
	}
}

方式1：使用线程的join方法

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		final ConcurrentSimpleTest cst = new ConcurrentSimpleTest();
		
		long s1 = System.currentTimeMillis();
		cst.method1(); 
		cst.method2();
		long s2 = System.currentTimeMillis();	
		
		Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				cst.method1(); 
			}
		});

		Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				cst.method2();
			}
		});
		
		t1.start();
		t2.start();
		
		t1.join(); //t2.join(500); 实际400ms后，方法就返回了
		t2.join(); //t1.join(x); if x< max((800 - 400), (800-500)), 那该方法会在t2执行完前返回
		
		//线程1/2都已返回，需要验证结果
		
		long s3 = System.currentTimeMillis();
		
		System.out.println("time cost for normal execution:" + (s2-s1));
		System.out.println("time cost for concurrent execution:" + (s3-s2));
	}

方式2：使用信号量对象

自定义信号量

public class SimpleMonitor {
		public volatile int single = 0;

		public void require(int single) {
			this.single = single;
		}

		public synchronized void release(int single) {
			this.single -= single;
			this.notify();
		}
	}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		final ConcurrentSimpleTest cst = new ConcurrentSimpleTest();
		final SimpleMonitor monitor = new SimpleMonitor();

		long s1 = System.currentTimeMillis();
		cst.method1();
		cst.method2();
		long s2 = System.currentTimeMillis();

		monitor.require(2); //初始化信号量
		Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					cst.method1();
				} finally {
					monitor.release(1); //信号量-1
				}
			}
		});

		Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					cst.method2();
				} finally {
					monitor.release(1); //信号量-1
				}
			}
		});

		t1.start();
		t2.start();

		synchronized (monitor) {
			while (monitor.single > 0) {
				monitor.wait(); // monitor.wait(10 * 1000), 进行超时异常处理，中断t1,t2
			}
		}
                //线程1/2都已返回，需要验证结果
		long s3 = System.currentTimeMillis();

		System.out.println("time cost for normal execution:" + (s2 - s1));
		System.out.println("time cost for concurrent execution:" + (s3 - s2));
	}

使用JDK concurrent包中的信号量对象Semaphores

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		final ConcurrentSimpleTest cst = new ConcurrentSimpleTest();
		final Semaphore monitor = new Semaphore(0);

		long s1 = System.currentTimeMillis();
		cst.method1();
		cst.method2();
		long s2 = System.currentTimeMillis();

		Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					cst.method1();
				} finally {
					monitor.release(); //增加信号量
				}
			}
		});

		Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					cst.method2();
				} finally {
					monitor.release(); //增加信号量
				}
			}
		});

		t1.start();
		t2.start();

		monitor.acquireUninterruptibly(2); //tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) 可设置超时处理
		
                //线程1/2都已返回，需要验证结果

		long s3 = System.currentTimeMillis();

		System.out.println("time cost for normal execution:" + (s2 - s1));
		System.out.println("time cost for concurrent execution:" + (s3 - s2));
	}

使用JDK concurrent包中的信号量对象CountDownLatch（似乎比Semaphores更适合这种场景）

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		final ConcurrentSimpleTest22 cst = new ConcurrentSimpleTest22();
		final CountDownLatch monitor = new CountDownLatch(2); //设置计数器

		long s1 = System.currentTimeMillis();
		cst.method1();
		cst.method2();
		long s2 = System.currentTimeMillis();

		Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					cst.method1();
				} finally {
					monitor.countDown(); //计数器-1
				}
			}
		});

		Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					cst.method2();
				} finally {
					monitor.countDown(); //计数器-1
				}
			}
		});

		t1.start();
		t2.start();

		monitor.await(1, TimeUnit.SECONDS); //monitor.await(1000, TimeUnit.MILLISECONDS); 设定超时阀值
		//线程1/2都已返回，需要验证结果

		long s3 = System.currentTimeMillis();

		System.out.println("time cost for normal execution:" + (s2 - s1));
		System.out.println("time cost for concurrent execution:" + (s3 - s2));
	}

方式3：使用JDK5中新的线程实现方式和线程池

public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
		final ExecutorService execPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
		final ConcurrentSimpleTest3 cst = new ConcurrentSimpleTest3();
	
		long s1 = System.currentTimeMillis();
		cst.method1();
		cst.method2();
		long s2 = System.currentTimeMillis();
		
		Callable<Void> call1 = new Callable<Void>(){
			@Override
			public Void call() throws Exception {
				cst.method1();
				return null;
			}			
		};
		
		Callable<Void> call2 = new Callable<Void>(){
			@Override
			public Void call() throws Exception {
				cst.method2();
				return null;
			}			
		};
		
		Future<Void> task1 = execPool.submit(call1);
		Future<Void> task2 = execPool.submit(call2);
		
		task1.get();//task1.get(1, TimeUnit.SECONDS); get方法会阻塞，直到线程执行结束返回结果或者超时
		task2.get();//task2.get(1, TimeUnit.SECONDS);	
		
                //线程1/2都已返回，需要验证结果

		long s3 = System.currentTimeMillis();

		System.out.println("time cost for normal execution:" + (s2 - s1));
		System.out.println("time cost for concurrent execution:" + (s3 - s2));
		
		execPool.shutdown();
	}

要达到目的，我们的实现的方式有多种，上面给出的例子也只是抛砖引入，那么该如何抉择呢？个人认为应该考虑以下几个方面：

并发线程（任务）的可控性。如线程执行是否超时，可中断执行中的线程，异常处理以及获取线程执行的状态等。方法1/2/3都针对具体的子线程（任务）可控，而方法2在超时设定方面则是针对并发的线程。
合理性，即合乎人的思维和设计，个人认为用信号量同步的方式（方法2）比较合理。
高效性，即性能。线程池应该是个不错的选择。
简化性，即实现和使用比较简单化。

简化，其实就是更多的复用/重用。对于上面给出的应用场景，可以提出下面这样的模型：