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并发编程意味着更智慧地工作,而不是更困难地工作

并发 Collections 提供了线程安全、经过良好调优的数据结构,简化了并发编程。然而,在一些情形下,开发人员需要更进一步,思考如何调节和/或限制线程执行。由于 java.util.concurrent 的总体目标是简化多线程编程,您可能希望该包包含同步实用程序,而它确实包含。

本文是 第 1 部分 的延续,将介绍几个比核心语言原语(监视器)更高级的同步结构,但它们还未包含在 Collection 类中。一旦您了解了这些锁和门的用途,使用它们将非常直观。

关于本系列

您觉得自己懂 Java 编程?事实是,大多数开发人员都只领会到了 Java 平台的皮毛,所学也只够应付工作。在本 系列 中,Ted Neward 深度挖掘 Java 平台的核心功能,揭示一些鲜为人知的事实,帮助您解决最棘手的编程困难。

1. Semaphore

在一些企业系统中,开发人员经常需要限制未处理的特定资源请求(线程/操作)数量,事实上,限制有时候能够提高系统的吞吐量,因为它们减少了对特定资源的争用。尽管完全可以手动编写限制代码,但使用 Semaphore 类可以更轻松地完成此任务,它将帮您执行限制,如清单 1 所示:

清单 1. 使用 Semaphore 执行限制

即使本例中的 10 个线程都在运行(您可以对运行 SemApp 的 Java 进程执行 jstack 来验证),但只有 3 个线程是活跃的。在一个信号计数器释放之前,其他 7 个线程都处于空闲状态。(实际上,Semaphore 类支持一次获取和释放多个 permit,但这不适用于本场景。)

2. CountDownLatch

如果 Semaphore 是允许一次进入一个(这可能会勾起一些流行夜总会的保安的记忆)线程的并发性类,那么 CountDownLatch 就像是赛马场的起跑门栅。此类持有所有空闲线程,直到满足特定条件,这时它将会一次释放所有这些线程。

清单 2. CountDownLatch:让我们去赛马吧!

注意,在 清单 2 中,CountDownLatch 有两个用途:首先,它同时释放所有线程,模拟马赛的起点,但随后会设置一个门闩模拟马赛的终点。这样,“主” 线程就可以输出结果。 为了让马赛有更多的输出注释,可以在赛场的 “转弯处” 和 “半程” 点,比如赛马跨过跑道的四分之一、二分之一和四分之三线时,添加 CountDownLatch

3. Executor

清单 1 和 清单 2 中的示例都存在一个重要的缺陷,它们要求您直接创建 Thread 对象。这可以解决一些问题,因为在一些 JVM 中,创建 Thread 是一项重量型的操作,重用现有 Thread 比创建新线程要容易得多。而在另一些 JVM 中,情况正好相反:Thread 是轻量型的,可以在需要时很容易地新建一个线程。当然,如果 Murphy 拥有自己的解决办法(他通常都会拥有),那么您无论使用哪种方法对于您最终将部署的平台都是不对的。

JSR-166 专家组(参见 参考资料)在一定程度上预测到了这一情形。Java 开发人员无需直接创建 Thread,他们引入了 Executor 接口,这是对创建新线程的一种抽象。如清单 3 所示,Executor 使您不必亲自对 Thread 对象执行 new 就能够创建新线程:

清单 3. Executor

使用 Executor 的主要缺陷与我们在所有工厂中遇到的一样:工厂必须来自某个位置。不幸的是,与 CLR 不同,JVM 没有附带一个标准的 VM 级线程池。

Executor实际上 充当着一个提供 Executor 实现实例的共同位置,但它只有 new 方法(例如用于创建新线程池);它没有预先创建实例。所以您可以自行决定是否希望在代码中创建和使用 Executor 实例。(或者在某些情况下,您将能够使用所选的容器/平台提供的实例。)

ExecutorService 随时可以使用

尽管不必担心 Thread 来自何处,但 Executor 接口缺乏 Java 开发人员可能期望的某种功能,比如结束一个用于生成结果的线程并以非阻塞方式等待结果可用。(这是桌面应用程序的一个常见需求,用户将执行需要访问数据库的 UI 操作,然后如果该操作花费了很长时间,可能希望在它完成之前取消它。)

对于此问题,JSR-166 专家创建了一个更加有用的抽象(ExecutorService 接口),它将线程启动工厂建模为一个可集中控制的服务。例如,无需每执行一项任务就调用一次 execute()ExecutorService 可以接受一组任务并返回一个表示每项任务的未来结果的未来列表

4. ScheduledExecutorServices

尽管 ExecutorService 接口非常有用,但某些任务仍需要以计划方式执行,比如以确定的时间间隔或在特定时间执行给定的任务。这就是 ScheduledExecutorService 的应用范围,它扩展了 ExecutorService

如果您的目标是创建一个每隔 5 秒跳一次的 “心跳” 命令,使用 ScheduledExecutorService 可以轻松实现,如清单 4 所示:

清单 4. ScheduledExecutorService 模拟心跳

这项功能怎么样?不用过于担心线程,不用过于担心用户希望取消心跳时会发生什么,也不用明确地将线程标记为前台或后台;只需将所有的计划细节留给 ScheduledExecutorService

顺便说一下,如果用户希望取消心跳,scheduleAtFixedRate 调用将返回一个 ScheduledFuture 实例,它不仅封装了结果(如果有),还拥有一个 cancel 方法来关闭计划的操作。

5. Timeout 方法

为阻塞操作设置一个具体的超时值(以避免死锁)的能力是 java.util.concurrent 库相比起早期并发特性的一大进步,比如监控锁定。

这些方法几乎总是包含一个 int/TimeUnit 对,指示这些方法应该等待多长时间才释放控制权并将其返回给程序。它需要开发人员执行更多工作 — 如果没有获取锁,您将如何重新获取? — 但结果几乎总是正确的:更少的死锁和更加适合生产的代码。(关于编写生产就绪代码的更多信息,请参见 参考资料 中 Michael Nygard 编写的 Release It!。)

结束语

java.util.concurrent 包还包含了其他许多好用的实用程序,它们很好地扩展到了 Collections 之外,尤其是在 .locks.atomic 包中。深入研究,您还将发现一些有用的控制结构,比如 CyclicBarrier 等。

与 Java 平台的许多其他方面一样,您无需费劲地查找可能非常有用的基础架构代码。在编写多线程代码时,请记住本文讨论的实用程序和 上一篇文章 中讨论的实用程序。

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