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。
