Java多线程（Atomic）

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1、使用Atomic

Java的java.util.concurrent包除了提供底层锁、并发集合外，还提供了一组原子操作的封装类，它们位于java.util.concurrent.atomic包。

我们以AtomicInteger为例，它提供的主要操作有：

  • 增加值并返回新值：int addAndGet(int delta)
  • 加1后返回新值：int incrementAndGet()
  • 获取当前值：int get()
  • 用CAS方式设置：int compareAndSet(int expect, int update)

Atomic类是通过无锁（lock-free）的方式实现的线程安全（thread-safe）访问。它的主要原理是利用了CAS：Compare and Set。

如果我们自己通过CAS编写incrementAndGet()，它大概长这样：

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
    int prev, next;
    do {
        prev = var.get();
        next = prev + 1;
    } while ( ! var.compareAndSet(prev, next));
    return prev;
}

CAS是指，在这个操作中，如果AtomicInteger的当前值是prev，那么就更新为next，返回true。如果AtomicInteger的当前值不是prev，就什么也不干，返回false。通过CAS操作并配合do … while循环，即使其他线程修改了AtomicInteger的值，最终的结果也是正确的。

我们利用AtomicLong可以编写一个多线程安全的全局唯一ID生成器：

class IdGenerator {
    AtomicLong var = new AtomicLong(0);
    
    public long getNextId() {
        return var.incrementAndGet();
    }
}

通常情况下，我们并不需要直接用do … while循环调用compareAndSet实现复杂的并发操作，而是用incrementAndGet()这样的封装好的方法，因此，使用起来非常简单。

在高度竞争的情况下，还可以使用Java 8提供的LongAdder和LongAccumulator。

小结：

使用java.util.concurrent.atomic提供的原子操作可以简化多线程编程：

  • 原子操作实现了无锁的线程安全；
  • 适用于计数器，累加器等。

2、使用线程池

Java语言虽然内置了多线程支持，启动一个新线程非常方便，但是，创建线程需要操作系统资源（线程资源，栈空间等），频繁创建和销毁大量线程需要消耗大量时间。

如果可以复用一组线程：

那么我们就可以把很多小任务让一组线程来执行，而不是一个任务对应一个新线程。这种能接收大量小任务并进行分发处理的就是线程池。

简单地说，线程池内部维护了若干个线程，没有任务的时候，这些线程都处于等待状态。如果有新任务，就分配一个空闲线程执行。如果所有线程都处于忙碌状态，新任务要么放入队列等待，要么增加一个新线程进行处理。

Java标准库提供了ExecutorService接口表示线程池，它的典型用法如下：

// 创建固定大小的线程池:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交任务:
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
executor.submit(task3);
executor.submit(task4);
executor.submit(task5);

因为ExecutorService只是接口，Java标准库提供的几个常用实现类有：

  • FixedThreadPool：线程数固定的线程池；
  • CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池；
  • SingleThreadExecutor：仅单线程执行的线程池。

创建这些线程池的方法都被封装到Executors这个类中。我们以FixedThreadPool为例，看看线程池的执行逻辑：

import java.util.concurrent.*;
​
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池:
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            es.submit(new Task("" + i));
        }
        // 关闭线程池:
        es.shutdown();
    }
}
​
class Task implements Runnable {
    private final String name;
​
    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }
​
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start task " + name);
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("end task " + name);
    }
}
​

我们观察执行结果，一次性放入6个任务，由于线程池只有固定的4个线程，因此，前4个任务会同时执行，等到有线程空闲后，才会执行后面的两个任务。

线程池在程序结束的时候要关闭。使用shutdown()方法关闭线程池的时候，它会等待正在执行的任务先完成，然后再关闭。shutdownNow()会立刻停止正在执行的任务，awaitTermination()则会等待指定的时间让线程池关闭。

如果我们把线程池改为CachedThreadPool，由于这个线程池的实现会根据任务数量动态调整线程池的大小，所以6个任务可一次性全部同时执行。

如果我们想把线程池的大小限制在4～10个之间动态调整怎么办？我们查看Executors.newCachedThreadPool()方法的源码：

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                    60L, TimeUnit.SECONDS,
                                    new SynchronousQueue<Runnable>());
}

因此，想创建指定动态范围的线程池，可以这么写：

int min = 4;
int max = 10;
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(min, max,
        60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());

2.1、ScheduledThreadPool

还有一种任务，需要定期反复执行，例如，每秒刷新证券价格。这种任务本身固定，需要反复执行的，可以使用ScheduledThreadPool。放入ScheduledThreadPool的任务可以定期反复执行。

创建一个ScheduledThreadPool仍然是通过Executors类：

ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(4);

我们可以提交一次性任务，它会在指定延迟后只执行一次：

// 1秒后执行一次性任务:
ses.schedule(new Task("one-time"), 1, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的每3秒执行，我们可以这样写：

// 2秒后开始执行定时任务，每3秒执行:
ses.scheduleAtFixedRate(new Task("fixed-rate"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的3秒为间隔执行，我们可以这样写：

// 3秒后开始执行定时任务，以3秒为间隔执行:
ses.scheduleWithFixedDelay(new Task("fixed-delay"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

注意FixedRate和FixedDelay的区别。FixedRate是指任务总是以固定时间间隔触发，不管任务执行多长时间：

而FixedDelay是指，上一次任务执行完毕后，等待固定的时间间隔，再执行下一次任务：

因此，使用ScheduledThreadPool时，我们要根据需要选择执行一次、FixedRate执行还是FixedDelay执行。

细心的童鞋还可以思考下面的问题：

  • 在FixedRate模式下，假设每秒触发，如果某次任务执行时间超过1秒，后续任务会不会并发执行？

答：后续任务会等待上一个任务执行完毕。

  • 如果任务抛出了异常，后续任务是否继续执行？

答：不会正常执行。

Java标准库还提供了一个java.util.Timer类，这个类也可以定期执行任务，但是，一个Timer会对应一个Thread，所以，一个Timer只能定期执行一个任务，多个定时任务必须启动多个Timer，而一个ScheduledThreadPool就可以调度多个定时任务，所以，我们完全可以用ScheduledThreadPool取代旧的Timer。

小结：

JDK提供了ExecutorService实现了线程池功能：

  • 线程池内部维护一组线程，可以高效执行大量小任务；
  • Executors提供了静态方法创建不同类型的ExecutorService；
  • 必须调用shutdown()关闭ExecutorService；
  • ScheduledThreadPool可以定期调度多个任务。
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