Java:并发不易,先学会用

我从事Java编程已经11年了,绝对是个老兵;但对于Java并发编程,我只能算是个新兵蛋子。我说这话估计要遭到某些高手的冷嘲热讽,但我并不感到害怕。

因为我知道,每年都会有很多很多的新人要加入Java编程的大军,他们对“并发”编程中遇到的问题也会有感到无助的时候。而我,非常乐意与他们一道,对使用Java线程进行并发程序开发的基础知识进行新一轮的学习。

本篇我们来谈谈 Java 并发编程:并发编程并不容易掌握,但很有必要掌握。

01、我们为什么要学习并发?

我的脑袋没有被如来佛祖开过光,所以喜欢一件事接着一件事的想,做不到“一脑两用”。但有些大佬就不一样,比如说诸葛亮,就能够一边想着琴谱一边谈着弹着琴,还能夹带着盘算出司马懿退兵后的打算。

诸葛大佬就有着超强的“并发”能力啊。换做是我,面对司马懿的千万大军,不仅弹不了琴,弄不好还被吓得屁滚尿流。

每个人都只有一个脑子,就像电脑只有一个CPU一样。但一个脑子并不意味着不能“一脑两用”,关键就在于脑子有没有“并发”的能力。

脑子要是有了并发能力,那真的是厉害到飞起啊,想想司马懿被气定神闲的诸葛大佬吓跑的样子就知道了。

对于程序来说,如果具有并发的能力,效率就能够大幅度地提升。你一定注册过不少网站,收到过不少验证码,如果网站的服务器端在发送验证码的时候,没有专门起一个线程来处理(并发),假如网络不好发生阻塞的话,那服务器端岂不是要从天亮等到天黑才知道你有没有收到验证码?如果就你一个用户也就算了,但假如有一百个用户呢?这一百个用户难道也要在那傻傻地等着,那真要等到花都谢了。

可想而知,并发编程是多么的重要!况且,懂不懂Java虚拟机和会不会并发编程,几乎是判定一个Java开发人员是不是高手的不三法则。所以要想挣得多,还得会并发啊

02、并发第一步,创建一个线程

通常,启动一个程序,就相当于起了一个进程。每个电脑都会运行很多程序,所以你会在进程管理器中看到很多进程。你会说,这不废话吗?

不不不,在我刚学习编程的很长一段时间内,我都想当然地以为这些进程就是线程;但后来我知道不是那么回事儿。一个进程里,可能会有很多线程在运行,也可能只有一个。

main函数其实就是一个主线程。我们可以在这个主线程当中创建很多其他的线程。来看下面这段代码。

public class Wanger {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread t = new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("我叫" + Thread.currentThread().getName() + ",我超喜欢沉默王二的写作风格");
                }
            });
            t.start();
        }
    }
}

创建线程最常用的方式就是声明一个实现了Runnable接口的匿名内部类;然后将它作为创建Thread对象的参数;再然后调用Thread对象的start()方法进行启动。运行的结果如下。

我叫Thread-1,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫Thread-3,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫Thread-2,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫Thread-0,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫Thread-5,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫Thread-4,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫Thread-6,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫Thread-7,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫Thread-8,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫Thread-9,我超喜欢沉默王二的写作风格

从运行的结果中可以看得出来,线程的执行顺序不是从0到9的,而是有一定的随机性。这是因为Java的并发是抢占式的,线程0虽然创建得最早,但它的“争宠”能力却一般,上位得比较艰辛

03、并发第二步,创建线程池

java.util.concurrent.Executors类提供了一系列工厂方法用于创建线程池,可把多个线程放在一起进行更高效地管理。示例如下。

public class Wanger {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable r = new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("我叫" + Thread.currentThread().getName() + ",我超喜欢沉默王二的写作风格");
                }
            };
            executorService.execute(r);
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

运行的结果如下。

我叫pool-1-thread-2,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫pool-1-thread-4,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫pool-1-thread-5,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫pool-1-thread-3,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫pool-1-thread-4,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫pool-1-thread-1,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫pool-1-thread-7,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫pool-1-thread-6,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫pool-1-thread-5,我超喜欢沉默王二的写作风格
我叫pool-1-thread-6,我超喜欢沉默王二的写作风格

ExecutorsnewCachedThreadPool()方法用于创建一个可缓存的线程池,调用该线程池的方法execute()可以重用以前的线程,只要该线程可用;比如说,pool-1-thread-4pool-1-thread-5pool-1-thread-6就得到了重用的机会。我能想到的最佳形象代言人就是女皇武则天。

如果没有可用的线程,就会创建一个新线程并添加到池中。当然了,那些60秒内还没有被使用的线程也会从缓存中移除。

另外,ExecutorsnewFiexedThreadPool(int num)方法用于创建固定数目线程的线程池;newSingleThreadExecutor()方法用于创建单线程化的线程池(你能想到它应该使用的场合吗?)。

但是,故事要转折了。阿里巴巴的Java开发手册(可在「沉默王二」公众号的后台回复关键字「Java」获取)中明确地指出,不允许使用Executors来创建线程池。

不能使用Executors创建线程池,那么该怎么创建线程池呢?

直接调用ThreadPoolExecutor的构造函数来创建线程池呗。其实Executors就是这么做的,只不过没有对BlockQueue指定容量。我们需要做的就是在创建的时候指定容量。代码示例如下。

ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(10, 10,
        60L, TimeUnit.SECONDS,
        new ArrayBlockingQueue(10));

04、并发第三步,解决共享资源竞争的问题

有一次,我陪家人在商场里面逛街,出电梯的时候有一个傻叉非要抢着进电梯。女儿的小推车就压到了那傻叉的脚上,他竟然不依不饶地指着我的鼻子叫嚣。我直接一拳就打在他的鼻子上,随后我们就纠缠在了一起。

这件事情说明了什么问题呢?第一,遇到不讲文明不知道“先出后进”(LIFO)规则的傻叉真的很麻烦;第二,竞争共享资源的时候,弄不好要拳脚相向。

在Java中,解决共享资源竞争问题的首个解决方案就是使用关键字synchronized。当线程执行被synchronized保护的代码片段的时候,会对这段代码进行上锁,其他调用这段代码的线程会被阻塞,直到锁被释放。

下面这段代码使用ThreadPoolExecutor创建了一个线程池,池里面的每个线程会对共享资源count进行+1操作。现在,闭上眼想一想,当1000个线程执行结束后,count的值会是多少呢?

public class Wanger {
    public static int count = 0;
    
    public static int getCount() {
        return count;
    }
    
    public static void addCount() {
         count++;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(10, 1000,
                60L, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue(10));


        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Runnable r = new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    Wanger.addCount();
                }
            };
            executorService.execute(r);
        }
        executorService.shutdown();
        System.out.println(Wanger.count);
    }
}

事实上,共享资源count的值很有可能是996、998,但很少会是1000。为什么呢?

因为一个线程正在写这个变量的时候,另外一个线程可能正在读这个变量,或者正在写这个变量。这个变量就变成了一个“不确定状态”的数据。这个变量必须被保护起来

通常的做法就是在改变这个变量的addCount()方法上加上synchronized关键字——保证线程在访问这个变量的时候有序地进行排队。

示例如下:

public synchronized static void addCount() {
     count++;
}

还有另外的一种常用方法——读写锁。分为读锁和写锁,多个读锁不互斥,读锁与写锁互斥,由Java虚拟机控制。如果代码允许很多线程同时读,但不能同时写,就上读锁;如果代码不允许同时读,并且只能有一个线程在写,就上写锁。

读写锁的接口是ReadWriteLock,具体实现类是 ReentrantReadWriteLocksynchronized属于互斥锁,任何时候只允许一个线程的读写操作,其他线程必须等待;而ReadWriteLock允许多个线程获得读锁,但只允许一个线程获得写锁,效率相对较高一些。

我们先使用枚举创建一个读写锁的单例。代码如下:

public enum Locker {

    INSTANCE;

    private static final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    public Lock writeLock() {
        return lock.writeLock();
    }

}

再在addCount()方法中对count++;上锁。示例如下。

public static void addCount() {
    // 上锁
    Lock writeLock = Locker.INSTANCE.writeLock();
    writeLock.lock();
    count++;
    // 释放锁
    writeLock.unlock();
}

使用读写锁的时候,切记最后要释放锁。

05、最后

并发编程难学吗?说实话,真的不太容易。来看一下王宝令老师总结的思维导图就能知道。

但你也知道,“冰冻三尺非一日之寒”,学习是一件循序渐进的事情。只要你学会了怎么创建一个线程,学会了怎么创建线程池,学会了怎么解决共享资源竞争的问题,你已经在并发编程的领域里迈出去了一大步。


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