java线程安全、同步、协作、Timer和TimerTask、线程池

当我们查看JDK API的时候，总会发现一些类说明写着，线程安全或者线程不安全，比如说StringBuilder中，有这么一句，“将StringBuilder 的实例用于多个线程是不安全的。如果需要这样的同步，则建议使用StringBuffer。 ”，那么下面手动创建一个线程不安全的类，然后在多线程中使用这个类，看看有什么效果。
        Count.java：
public class Count { 
    private int num; 
    public void count() { 
        for(int i = 1; i <= 10; i++) { 
            num += i; 
        } 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num); 
    } 
} 
        在这个类中的count方法是计算1一直加到10的和，并输出当前线程名和总和，我们期望的是每个线程都会输出55。
        ThreadTest.java：
public class ThreadTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        Runnable runnable = new Runnable() { 
            Count count = new Count(); 
            public void run() { 
                count.count(); 
            } 
        }; 
        for(int i = 0; i < 10; i++) { 
            new Thread(runnable).start(); 
        } 
    } 
} 
        这里启动了10个线程，看一下输出结果：
Thread-0-55 
Thread-1-110 
Thread-2-165 
Thread-4-220 
Thread-5-275 
Thread-6-330 
Thread-3-385 
Thread-7-440 
Thread-8-495 
Thread-9-550 
        只有Thread-0线程输出的结果是我们期望的，而输出的是每次都累加的，这里累加的原因以后的博文会说明，那么要想得到我们期望的结果，有几种解决方案：
        1. 将Count中num变成count方法的局部变量；
public class Count { 
    public void count() { 
        int num = 0; 
        for(int i = 1; i <= 10; i++) { 
            num += i; 
        } 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num); 
    } 
} 
        2. 将线程类成员变量拿到run方法中；
public class ThreadTest4 { 
    public static void main(String[] args) { 
        Runnable runnable = new Runnable() { 
            public void run() { 
                Count count = new Count(); 
                count.count(); 
            } 
        }; 
        for(int i = 0; i < 10; i++) { 
            new Thread(runnable).start(); 
        } 
    } 
}  
        3. 每次启动一个线程使用不同的线程类，不推荐。
        上述测试，我们发现，存在成员变量的类用于多线程时是不安全的，而变量定义在方法内是线程安全的。想想在使用struts1时，不推荐创建成员变量，因为 action是单例的，如果创建了成员变量，就会存在线程不安全的隐患，而struts2是每一次请求都会创建一个action，就不用考虑线程安全的问题。

上篇通过一个简单的例子说明了线程安全与不安全，在例子中不安全的情况下输出的结果恰好是逐个递增的，为什么会产生这样的结果呢，因为建立的Count对象是线程共享的，一个线程改变了其成员变量num值，下一个线程正巧读到了修改后的num，所以会递增输出。
        要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性，可见性和有序性。多个线程之间是不能直接传递数据交互的，它们之间的交互只能通过共享变量来实现。 拿上篇博文中的例子来说明，在多个线程之间共享了Count类的一个对象，这个对象是被创建在主内存(堆内存)中，每个线程都有自己的工作内存(线程 栈)，工作内存存储了主内存Count对象的一个副本，当线程操作Count对象时，首先从主内存复制Count对象到工作内存中，然后执行代码 count.count()，改变了num值，最后用工作内存Count刷新主内存Count。当一个对象在多个内存中都存在副本时，如果一个内存修改了 共享变量，其它线程也应该能够看到被修改后的值，此为可见性。由上述可知，一个运算赋值操作并不是一个原子性操作，多 个线程执行时，CPU对线程的调度是随机的，我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程，一个最经典的例子就是银行汇款问题，一个银行账户存款 100，这时一个人从该账户取10元，同时另一个人向该账户汇10元，那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况，A线程负责取款，B线程负责汇 款，A从主内存读到100，B从主内存读到100，A执行减10操作，并将数据刷新到主内存，这时主内存数据100-10=90，而B内存执行加10操 作，并将数据刷新到主内存，最后主内存数据100+10=110，显然这是一个严重的问题，我们要保证A线程和B线程有序执行，先取款后汇款或者先汇款后 取款，此为有序性。
        下面同样用代码来展示一下线程同步问题。
        TraditionalThreadSynchronized.java：创建两个线程，执行同一个对象的输出方法。
public class TraditionalThreadSynchronized { 
    public static void main(String[] args) { 
        final Outputter output = new Outputter(); 
        new Thread() { 
            public void run() { 
                output.output("zhangsan"); 
            }; 
        }.start();       
        new Thread() { 
            public void run() { 
                output.output("lisi"); 
            }; 
        }.start(); 
    } 
} 
class Outputter { 
    public void output(String name) { 
        // TODO 为了保证对name的输出不是一个原子操作，这里逐个输出name的每个字符 
        for(int i = 0; i < name.length(); i++) { 
            System.out.print(name.charAt(i)); 
        } 
    } 
} 
        运行结果：
zhlainsigsan 
        显然输出的字符串被打乱了，我们期望的输出结果是zhangsanlisi，这就是线程同步问题，我们希望output方法被一个线程完整的执行完之后在 切换到下一个线程，Java中使用synchronized保证一段代码在多线程执行时是互斥的，有两种用法：
        1. 使用synchronized将需要互斥的代码包含起来，并上一把锁。
synchronized (this) { 
    for(int i = 0; i < name.length(); i++) { 
        System.out.print(name.charAt(i)); 
    } 
} 
        这把锁必须是线程间的共享对象，像下面的代码是没有意义的。
Object lock = new Object(); 
synchronized (lock) { 
    for(int i = 0; i < name.length(); i++) { 
        System.out.print(name.charAt(i)); 
    } 
} 
        每次进入output方法都会创建一个新的lock，这个锁显然每个线程都会创建，没有意义。
        2. 将synchronized加在需要互斥的方法上。
public synchronized void output(String name) { 
    // TODO 线程输出方法 
    for(int i = 0; i < name.length(); i++) { 
        System.out.print(name.charAt(i)); 
    } 
} 
        这种方式就相当于用this锁住整个方法内的代码块，如果用synchronized加在静态方法上，就相当于用××××.class锁住整个方法内的代码块。使用synchronized在某些情况下会造成死锁，死锁问题以后会说明。
        每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，当一个线程被唤醒 (notify)后，才会进入到就绪队列，等待CPU的调度，反之，当一个线程被wait后，就会进入阻塞队列，等待下一次被唤醒，这个涉及到线程间的通 信，下一篇博文会说明。看我们的例子，当第一个线程执行输出方法时，获得同步锁，执行输出方法，恰好此时第二个线程也要执行输出方法，但发现同步锁没有被 释放，第二个线程就会进入就绪队列，等待锁被释放。一个线程执行互斥代码过程如下：
        1. 获得同步锁；
        2. 清空工作内存；
        3. 从主内存拷贝对象副本到工作内存；
        4. 执行代码(计算或者输出等)；
        5. 刷新主内存数据；
        6. 释放同步锁。
        所以，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。
        volatile是第二种Java多线程同步的手段，根据JLS的说法，一个变量可以被volatile修饰，在这种情况下内存模型确保所有线程可以看到一致的变量值，来看一段代码：
class Test { 
    static int i = 0, j = 0; 
    static void one() { 
        i++; 
        j++; 
    } 
    static void two() { 
        System.out.println("i=" + i + " j=" + j); 
    } 
} 
        一些线程执行one方法，另一些线程执行two方法，two方法有可能打印出j比i大的值，按照之前分析的线程执行过程分析一下：
        1. 将变量i从主内存拷贝到工作内存；
        2. 改变i的值；
        3. 刷新主内存数据；
        4. 将变量j从主内存拷贝到工作内存；
        5. 改变j的值；
        6. 刷新主内存数据；
        这个时候执行two方法的线程先读取了主存i原来的值又读取了j改变后的值，这就导致了程序的输出不是我们预期的结果，那么可以在共享变量之前加上volatile。
class Test { 
    static volatile int i = 0, j = 0; 
    static void one() { 
        i++; 
        j++; 
    } 
    static void two() { 
        System.out.println("i=" + i + " j=" + j); 
    } 
} 
        加上volatile可以将共享变量i和j的改变直接响应到主内存中，这样保证了i和j的值可以保持一致，然而我们不能保证执行two方法的线程是在i和j执行到什么程度获取到的，所以volatile可以保证内存可见性，不能保证并发有序性。

上一篇讲述了线程的互斥(同步)，但是在很多情况下，仅仅同步是不够的，还需要线程与线程协作(通信)，生产者/消费者模式是一个经典的线程同步以及通信的模型。
        假设有这样一种情况，有一个盘子，盘子里只能放一个鸡蛋，A线程专门往盘子里放鸡蛋，如果盘子里有鸡蛋，则一直等到盘子里没鸡蛋，B线程专门从盘子里取鸡 蛋，如果盘子里没鸡蛋，则一直等到盘子里有鸡蛋。这里盘子是一个互斥区，每次放鸡蛋是互斥的，每次取鸡蛋也是互斥的，A线程放鸡蛋，如果这时B线程要取鸡 蛋，由于A没有释放锁，B线程处于等待状态，进入阻塞队列，放鸡蛋之后，要通知B线程取鸡蛋，B线程进入就绪队列，反过来，B线程取鸡蛋，如果A线程要放 鸡蛋，由于B线程没有释放锁，A线程处于等待状态，进入阻塞队列，取鸡蛋之后，要通知A线程放鸡蛋，A线程进入就绪队列。我们希望当盘子里有鸡蛋时，A线 程阻塞，B线程就绪，盘子里没鸡蛋时，A线程就绪，B线程阻塞，代码如下：
import java.util.ArrayList; 
import java.util.List; 
 
public class Plate { 
     
    List<Object> eggs = new ArrayList<Object>(); 
     
    public synchronized Object getEgg() { 
        while (eggs.size() == 0) { 
            try { 
                wait(); 
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace(); 
            } 
        } 
        Object egg = eggs.get(0); 
        eggs.clear();// 清空盘子 
        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列 
        System.out.println("拿到鸡蛋"); 
        return egg; 
    } 
     
    public synchronized void putEgg(Object egg) { 
        while (eggs.size() > 0) { 
            try { 
                wait(); 
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace(); 
            } 
        } 
        eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋 
        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列 
        System.out.println("放入鸡蛋"); 
    } 
    static class AddThread extends Thread { 
        private Plate plate; 
        private Object egg = new Object(); 
        public AddThread(Plate plate) { 
            this.plate = plate; 
        } 
        public void run() { 
            plate.putEgg(egg); 
        } 
    } 
    static class GetThread extends Thread { 
        private Plate plate; 
        public GetThread(Plate plate) { 
            this.plate = plate; 
        } 
        public void run() { 
            plate.getEgg(); 
        } 
    } 
    public static void main(String args[]) { 
        Plate plate = new Plate(); 
        for(int i = 0; i < 10; i++) { 
            new Thread(new AddThread(plate)).start(); 
            new Thread(new GetThread(plate)).start(); 
        } 
    } 
} 
        输出结果：
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
放入鸡蛋 
拿到鸡蛋 
        8 l程序开始，A线程判断盘子是否为空，放入一个鸡蛋，并且唤醒在阻塞队列的一个线程，阻塞队列为空；假设CPU又调度了一个A线程，盘子非空，执行等待， 这个A线程进入阻塞队列；然后一个B线程执行，盘子非空，取走鸡蛋，并唤醒阻塞队列的A线程，A线程进入就绪队列，此时就绪队列就一个A线程，马上执行， 放入鸡蛋；如果再来A线程重复第一步，在来B线程重复第二步，整个过程就是生产者(A线程)生产鸡蛋，消费者(B线程)消费鸡蛋。
        前段时间看了张孝祥老师线程的视频，讲述了一个其学员的面试题，也是线程通信的，在此也分享一下。
        题目：子线程循环10次，主线程循环100次，如此循环100次，好像是空中网的笔试题。
public class ThreadTest2 { 
    public static void main(String[] args) { 
        final Business business = new Business(); 
        new Thread(new Runnable() { 
            @Override 
            public void run() { 
                threadExecute(business, "sub"); 
            } 
        }).start(); 
        threadExecute(business, "main"); 
    }    
    public static void threadExecute(Business business, String threadType) { 
        for(int i = 0; i < 100; i++) { 
            try { 
                if("main".equals(threadType)) { 
                    business.main(i); 
                } else { 
                    business.sub(i); 
                } 
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace(); 
            } 
        } 
    } 
} 
class Business { 
    private boolean bool = true; 
    public synchronized void main(int loop) throws InterruptedException { 
        while(bool) { 
            this.wait(); 
        } 
        for(int i = 0; i < 100; i++) { 
            System.out.println("main thread seq of " + i + ", loop of " + loop); 
        } 
        bool = true; 
        this.notify(); 
    }    
    public synchronized void sub(int loop) throws InterruptedException { 
        while(!bool) { 
            this.wait(); 
        } 
        for(int i = 0; i < 10; i++) { 
            System.out.println("sub thread seq of " + i + ", loop of " + loop); 
        } 
        bool = false; 
        this.notify(); 
    } 
} 
        大家注意到没有，在调用wait方法时，都是用while判断条件的，而不是if，在wait方法说明中，也推荐使用while，因为在某些特定的情况下，线程有可能被假唤醒，使用while会循环检测更稳妥。

Timer和TimerTask可以做为实现线程的第三种方式，前两中方式分别是继承自Thread类和实现Runnable接口。
        Timer是一种线程设施，用于安排以后在后台线程中执行的任务。可安排任务执行一次，或者定期重复执行，可以看成一个定时器，可以调度TimerTask。TimerTask是一个抽象类，实现了Runnable接口，所以具备了多线程的能力。
        一个Timer可以调度任意多个TimerTask，它会将TimerTask存储在一个队列中，顺序调度，如果想两个TimerTask并发执行，则需要创建两个Timer。下面来看一个简单的例子：       
import java.util.Timer; 
import java.util.TimerTask; 
public class TimerTest { 
    static class MyTimerTask1 extends TimerTask { 
        public void run() { 
            System.out.println("爆炸！！！"); 
        } 
    }    
    public static void main(String[] args) { 
        Timer timer = new Timer(); 
        timer.schedule(new MyTimerTask1(), 2000);// 两秒后启动任务 
    } 
} 
        schedule是Timer调度任务的方法，Timer重构了四个schedule方法，具体可以查看JDK API。
        看一个稍复杂的例子，假设有这样一种需求，实现一个连环zhadan，2秒后爆炸一次，3秒后爆炸一次，如此循环下去，这就需要创建两个任务，互相调度，代码如下：
import java.util.Date; 
import java.util.Timer; 
import java.util.TimerTask; 
public class TimerTest { 
    static class MyTimerTask1 extends TimerTask { 
        public void run() { 
            System.out.println("爆炸！！！"); 
            new Timer().schedule(new MyTimerTask2(), 2000); 
        } 
    } 
    static class MyTimerTask2 extends TimerTask { 
        public void run() { 
            System.out.println("爆炸！！！"); 
            new Timer().schedule(new MyTimerTask1(), 3000); 
        } 
    } 
    public static void main(String[] args) { 
        Timer timer = new Timer(); 
        timer.schedule(new MyTimerTask2(), 2000); 
        while(true) { 
            System.out.println(new Date().getSeconds()); 
            try { 
                Thread.sleep(1000); 
            } catch (InterruptedException e) { 
                // TODO Auto-generated catch block 
                e.printStackTrace(); 
            } 
        } 
    } 
}

自JDK5之后，Java推出了一个并发包，java.util.concurrent，在Java开发中，我们接触到了好多池的技术，String类的对象池、Integer的共享池、连接数据库的连接池、Struts1.3的对象池等等，池的最终目的都是节约资源，以更小的开销做更多的事情，从而提高性能。
        我们的web项目都是部署在服务器上，浏览器端的每一个request就是一个线程，那么服务器需要并发的处理多个请求，就需要线程池技术，下面来看一下Java并发包下如何创建线程池。
        1.  创建一个可重用固定线程集合的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程。

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);// 创建可以容纳3个线程的线程池 
        2. 创建一个可根据需要创建新线程的线程池，但是在以前构造的线程可用时将重用它们。


ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();// 线程池的大小会根据执行的任务数动态分配 
        3. 创建一个使用单个 worker 线程的 Executor，以无界队列方式来运行该线程。


ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();// 创建单个线程的线程池，如果当前线程在执行任务时突然中断，则会创建一个新的线程替代它继续执行任务 
        4. 创建一个可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行的线程池。


ScheduledExecutorService threadPool = Executors.newScheduledThreadPool(3);// 效果类似于Timer定时器 
        每种线程池都有不同的使用场景，下面看一下这四种线程池使用起来有什么不同。

        1. FixedThreadPool

import java.util.concurrent.ExecutorService; 
import java.util.concurrent.Executors; 
public class ThreadPoolTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3); 
        for(int i = 1; i < 5; i++) { 
            final int taskID = i; 
            threadPool.execute(new Runnable() { 
                public void run() { 
                    for(int i = 1; i < 5; i++) { 
                        try { 
                            Thread.sleep(20);// 为了测试出效果，让每次任务执行都需要一定时间 
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            e.printStackTrace(); 
                        } 
                        System.out.println("第" + taskID + "次任务的第" + i + "次执行"); 
                    } 
                } 
            }); 
        } 
        threadPool.shutdown();// 任务执行完毕，关闭线程池 
    } 
} 
        输出结果：


第1次任务的第1次执行 
第2次任务的第1次执行 
第3次任务的第1次执行 
第2次任务的第2次执行 
第3次任务的第2次执行 
第1次任务的第2次执行 
第3次任务的第3次执行 
第1次任务的第3次执行 
第2次任务的第3次执行 
第3次任务的第4次执行 
第2次任务的第4次执行 
第1次任务的第4次执行 
第4次任务的第1次执行 
第4次任务的第2次执行 
第4次任务的第3次执行 
第4次任务的第4次执行 
        上段代码中，创建了一个固定大小的线程池，容量为3，然后循环执行了4个任务，由输出结果可以看到，前3个任务首先执行完，然后空闲下来的线程去执行第4 个任务，在FixedThreadPool中，有一个固定大小的池，如果当前需要执行的任务超过了池大小，那么多于的任务等待状态，直到有空闲下来的线程 执行任务，而当执行的任务小于池大小，空闲的线程也不会去销毁。
        2. CachedThreadPool

        上段代码其它地方不变，将newFixedThreadPool方法换成newCachedThreadPool方法。
        输出结果：

第3次任务的第1次执行 
第4次任务的第1次执行 
第1次任务的第1次执行 
第2次任务的第1次执行 
第4次任务的第2次执行 
第3次任务的第2次执行 
第2次任务的第2次执行 
第1次任务的第2次执行 
第2次任务的第3次执行 
第3次任务的第3次执行 
第1次任务的第3次执行 
第4次任务的第3次执行 
第2次任务的第4次执行 
第4次任务的第4次执行 
第3次任务的第4次执行 
第1次任务的第4次执行 
        可见，4个任务是交替执行的，CachedThreadPool会创建一个缓存区，将初始化的线程缓存起来，如果线程有可用的，就使用之前创建好的线程，如果没有可用的，就新创建线程，终止并且从缓存中移除已有60秒未被使用的线程。

        3. SingleThreadExecutor       
       上段代码其它地方不变，将newFixedThreadPool方法换成newSingleThreadExecutor方法。      
       输出结果：

第1次任务的第1次执行 
第1次任务的第2次执行 
第1次任务的第3次执行 
第1次任务的第4次执行 
第2次任务的第1次执行 
第2次任务的第2次执行 
第2次任务的第3次执行 
第2次任务的第4次执行 
第3次任务的第1次执行 
第3次任务的第2次执行 
第3次任务的第3次执行 
第3次任务的第4次执行 
第4次任务的第1次执行 
第4次任务的第2次执行 
第4次任务的第3次执行 
第4次任务的第4次执行 
        4个任务是顺序执行的，SingleThreadExecutor得到的是一个单个的线程，这个线程会保证你的任务执行完成，如果当前线程意外终止，会创建一个新线程继续执行任务，这和我们直接创建线程不同，也和newFixedThreadPool(1)不同。

    4.ScheduledThreadPool   

import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService; 
import java.util.concurrent.TimeUnit; 
public class ThreadPoolTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        ScheduledExecutorService schedulePool = Executors.newScheduledThreadPool(1); 
        // 5秒后执行任务 
        schedulePool.schedule(new Runnable() { 
            public void run() { 
                System.out.println("爆炸"); 
            } 
        }, 5, TimeUnit.SECONDS); 
        // 5秒后执行任务，以后每2秒执行一次 
        schedulePool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() { 
            @Override 
            public void run() { 
                System.out.println("爆炸"); 
            } 
        }, 5, 2, TimeUnit.SECONDS); 
    } 
} 
        ScheduledThreadPool是一个固定大小的线程池，与FixedThreadPool类似，执行的任务是定时执行。