实战Concurrent

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。
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; 
 
/**
* 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：
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; 
 
/**
* 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; 
    } 
 
} 
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; 
 
/**
* 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：
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; 
 
/**
* 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。
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; 
 
/**
* 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)。
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; 
 
/**
* 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(); 
    } 
 
} 
  
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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~