如果把线程当作一个人来对待,所有问题都瞬间明白了
  • 作者:ZJWave
  • 分类: Java高级
  • 发表:2019-07-02 09:36
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多线程的问题都曾经困扰过每个开发人员,今天将从全新视角来解说,希望读者都能明白。

强烈建议去运行下文章中的示例代码,自己体会下。

1.问题究竟出在哪里?

一个线程执行,固然是安全的,但是有时太慢了,怎么办?

老祖宗告诉我们,“一方有难,八方支援”,那不就是多叫几个线程来帮忙嘛,好办呀,多new几个不就行了,又不要钱。这样能管用吗?继续往下看。

俗话说,“在家靠父母,出门靠朋友”。有了朋友的帮助,就会事半功倍。是这样的吗?

不一定,如果朋友“不靠谱”,结果竟是在“添乱”。于是就演变为,“不怕神一样的对手,就怕猪一样的队友”。可见“人多力量大”纵然是对的,但也要配合好才能成事。

人和人是朋友,那线程和线程也是“朋友”,如果多线程之间不能配合好的话,最终也会变为“猪一样的队友”。事实证明,这也不是一件易事。且容我慢慢道来。

开发是一门技术,管理是一门艺术。也许你正想带着兄弟们大干一场,可偏偏就有人要辞职。或者你付出了这么多,但别人从来没有感动过。为什么会这样呢?

因为你面对的是人。每个人都是独立的个体,有思想,有灵魂,有情感,有三观。能够接受外界的“输入”,经过“处理”后,能够产生“输出”。

说白了就是会自主的分析问题,并做出决定。这叫什么呢?答案就是,主观能动性。

拥有主观能动性的物体(比如人),你需要和它协商着或配合着来共同完成一件事情,而不能“强迫”它去做什么,因为这样往往不会有好的结果。

费了这么多口舌,就是希望把问题尽量的简单化。终于可以回到程序了,那线程的情况是不是类似的呢?答案是肯定的。

一个线程准备好后,经过CPU的调度,就可以自主的运行了。此时它俨然成了一个独立的个体,且具有主观能动性。

这本是一件好事,但却也有不好的一面,那就是你对它的“掌控”能力变弱了,颇有一种“将在外,君命有所不受”的感觉。

可能你不同意这种看法,说我可以“强迫”它停止运行,调用Thread类的stop()方法来直接把它“掐死”,不好意思,该方法已废弃。

因为线程可能在运行一些“关键”代码(比如转账),此刻不能被终止。Thread类还有一些其它的方法也都废弃了,大抵原因其实都差不多。

讲了这么多,相信你已经明白了,简单总结一下:

事情起因:线程可以独立自主的运行,可以认为它具有主观能动性。

造成结果:对它的掌控能力变弱了,而且又不能直接把它“干掉”。

解决方案:凡事商量着来,互相配合着把事情完成。

作者观点:其实就是把线程当作人来对待。

2.小试牛刀一下

一旦把线程当成人,就来到了人类的世界,这我们太熟悉了,所以很多问题都会变得非常简单明了。一起来看看吧。

场景一,停止

“大胖,大胖,12点了,该去吃饭了,别写了”

“好的,好的,稍等片刻,把这几行代码写完就走”

要点:把停止的信号传达给别人,别人处理完手头的事情就自己主动停止了。

  static void stopByFlag() {
    ARunnable ar = new ARunnable();
    new Thread(ar).start();
    ar.tellToStop();
  }
  
  static class ARunnable implements Runnable {

    volatile boolean stop;
    
    void tellToStop() {
      stop = true;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      println("进入不可停止区域 1。。。");
      doingLongTime(5);
      println("退出不可停止区域 1。。。");
      println("检测标志stop = %s", String.valueOf(stop));
      if (stop) {
        println("停止执行");
        return;
      }
      println("进入不可停止区域 2。。。");
      doingLongTime(5);
      println("退出不可停止区域 2。。。");
    }
    
  }

解说:线程在预设的地点检测flag,来决定是否停止。

场景二,暂停/恢复

“大胖,大胖,先别发请求了,对方服务器快挂了”

“好的,好的,等这个执行完就不发了”

过了一会

“大胖,大胖,可以重新发请求了”

“好的,好的”

要点:把暂停的信号传达给别人,别人处理完手头的事情就自己主动暂停了。但是恢复是无法自主进行的,只能由操作系统来恢复线程的执行。

  static void pauseByFlag() {
    BRunnable br = new BRunnable();
    new Thread(br).start();
    br.tellToPause();
    sleep(8);
    br.tellToResume();
  }
  
  static class BRunnable implements Runnable {
    
    volatile boolean pause;
    
    void tellToPause() {
      pause = true;
    }
    
    void tellToResume() {
      synchronized (this) {
        this.notify();
      }
    }
    
    @Override
    public void run() {
      println("进入不可暂停区域 1。。。");
      doingLongTime(5);
      println("退出不可暂停区域 1。。。");
      println("检测标志pause = %s", String.valueOf(pause));
      if (pause) {
        println("暂停执行");
        try {
          synchronized (this) {
            this.wait();
          }
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        println("恢复执行");
      }
      println("进入不可暂停区域 2。。。");
      doingLongTime(5);
      println("退出不可暂停区域 2。。。");
    }
    
  }

解说:还是在预设的地点检测flag。然后就是wait/notify配合使用。

场景三,插队

“大胖,大胖,让我站到你前面,不想排队了”

“好吧”

要点:别人插队到你前面,必须等他完事后才轮到你。


  static void jqByJoin() {
    CRunnable cr = new CRunnable();
    Thread t = new Thread(cr);
    t.start();
    sleep(1);
    try {
      t.join();
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    println("终于轮到我了");
  }
  
  static class CRunnable implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
      println("进入不可暂停区域 1。。。");
      doingLongTime(5);
      println("退出不可暂停区域 1。。。");
    }
    
  }

解说:join方法可以让某个线程插到自己前面,等它执行完,自己才会继续执行。

场景四,叫醒

“大胖,大胖,醒醒,醒醒,看谁来了”

“谁啊,我去”

要点:要把别人从睡梦中叫醒,一定要采取稍微暴力一点的手段。


  static void stopByInterrupt() {
    DRunnable dr = new DRunnable();
    Thread t = new Thread(dr);
    t.start();
    sleep(2);
    t.interrupt();
  }
  
  static class DRunnable implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
      println("进入暂停。。。");
      try {
        sleep2(5);
      } catch (InterruptedException e) {
        println("收到中断异常。。。");
        println("做一些相关处理。。。");
      }
      println("继续执行或选择退出。。。");
    }
    
  }

解说:线程在sleep或wait时,是处于无法交互的状态的,此时只能使用interrupt方法中断它,线程会被激活并收到中断异常。

3.常见的协作配合

上面那些场景,其实都是对一个线程的操作,下面来看多线程间的一些配合。

事件一,考试

假设今天考试,20个学生,1个监考老师。规定学生可以提前交卷,即把卷子留下,直接走人就行了。

但老师必须等到所有的学生都走后,才可以收卷子,然后装订打包。

如果把学生和老师都看作线程,就是1个线程和20个线程的配合问题,即等20个线程都结束了,这1个线程才开始。

比如20个线程分别在计算数据,等它们都结束后得到20个中间结果,最后这1个线程再进行后续汇总、处理等。


  static final int COUNT = 20;
  
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    new Thread(new Teacher(cdl)).start();
    sleep(1);
    for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
      new Thread(new Student(i, cdl)).start();
    }
    synchronized (ThreadCo1.class) {
      ThreadCo1.class.wait();
    }
  }
  
  static CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(COUNT);
  
  static class Teacher implements Runnable {
    
    CountDownLatch cdl;
    
    Teacher(CountDownLatch cdl) {
      this.cdl = cdl;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      println("老师发卷子。。。");
      try {
        cdl.await();
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      println("老师收卷子。。。");
    }
    
  }
  
  static class Student implements Runnable {
    
    CountDownLatch cdl;
    int num;
    
    Student(int num, CountDownLatch cdl) {
      this.num = num;
      this.cdl = cdl;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      println("学生(%d)写卷子。。。", num);
      doingLongTime();
      println("学生(%d)交卷子。。。", num);
      cdl.countDown();
    }
    
  }

解说:每完成一个线程,计数器减1,当减到0时,被阻塞的线程自动执行。

事件二,旅游

最近景色宜人,公司组织去登山,大伙都来到了山脚下,登山过程自由进行。

但为了在特定的地点拍集体照,规定1个小时后在半山腰集合,谁最后到的,要给大家表演一个节目。

然后继续登山,在2个小时后,在山顶集合拍照,还是谁最后到的表演节目。

接着开始下山了,在2个小时后在山脚下集合,点名回家,最后到的照例表演节目。


  static final int COUNT = 5;
  
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
      new Thread(new Staff(i, cb)).start();
    }
    synchronized (ThreadCo2.class) {
      ThreadCo2.class.wait();
    }
  }
  
  static CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(COUNT, new Singer());
  
  static class Singer implements Runnable {
    
    @Override
    public void run() {
      println("为大家唱歌。。。");
    }
    
  }
  
  static class Staff implements Runnable {
    
    CyclicBarrier cb;
    int num;
    
    Staff(int num, CyclicBarrier cb) {
      this.num = num;
      this.cb = cb;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      println("员工(%d)出发。。。", num);
      doingLongTime();
      println("员工(%d)到达地点一。。。", num);
      try {
        cb.await();
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
      println("员工(%d)再出发。。。", num);
      doingLongTime();
      println("员工(%d)到达地点二。。。", num);
      try {
        cb.await();
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
      println("员工(%d)再出发。。。", num);
      doingLongTime();
      println("员工(%d)到达地点三。。。", num);
      try {
        cb.await();
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
      println("员工(%d)结束。。。", num);
    }
    
  }

解说:某个线程到达预设点时就在此等待,等所有的线程都到达时,大家再一起向下个预设点出发。如此循环反复下去。

事件三,劳动

大胖和小白去了创业公司,公司为了节约开支,没有请专门的保洁人员。让员工自己扫地和擦桌。

大胖觉得擦桌轻松,就让小白去扫地。可小白觉得扫地太累,也想擦桌。

为了公平起见,于是决定,每人先干一半,然后交换工具,再接着干对方剩下的那一个半。


  public static void main(String[] args) throws Exception {
    new Thread(new Staff("大胖", new Tool("笤帚", "扫地"), ex)).start();
    new Thread(new Staff("小白", new Tool("抹布", "擦桌"), ex)).start();
    synchronized (ThreadCo3.class) {
      ThreadCo3.class.wait();
    }
  }
  
  static Exchanger<Tool> ex = new Exchanger<>();
  
  static class Staff implements Runnable {
    
    String name;
    Tool tool;
    Exchanger<Tool> ex;
    
    Staff(String name, Tool tool, Exchanger<Tool> ex) {
      this.name = name;
      this.tool = tool;
      this.ex = ex;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      println("%s拿的工具是[%s],他开始[%s]。。。", name, tool.name, tool.work);
      doingLongTime();
      println("%s开始交换工具。。。", name);
      try {
        tool = ex.exchange(tool);
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
      
      println("%s的工具变为[%s],他开始[%s]。。。", name, tool.name, tool.work);
    }
    
  }
  
  static class Tool {
    
    String name;
    String work;
    
    Tool(String name, String work) {
      this.name = name;
      this.work = work;
    }
    
  }

解说:两个线程在预设点交换变量,先到达的等待对方。

事件四,魔性游戏

这是一个充满魔性的小游戏,由一个团队一起参加。所有人每隔5秒钟抽一次签,每个人有50%的概率留下来或被淘汰。

留下来的人下次抽签时同样有50%的概率被淘汰。被淘汰的人下次抽签时同样有50%的概率复活。

团队所有成员都被淘汰完,为挑战失败,团队所有成员都回到游戏中(除刚开始外),为挑战成功。

比如一开始10人参与游戏,第一轮抽签后,6人留下,4人淘汰。

第二轮抽签后,留下的6人中4人被淘汰,淘汰的4人中2人复活,那么目前是4人在游戏中,6人被淘汰。

一直如此继续下去,直到10人全部被淘汰,或全部回到游戏中。

可见,人数越多,全部被淘汰的概率越小,但全部回到游戏中的概率也越小。

反之,人数越少,全部回到游戏中的概率越大,但全部被淘汰的概率也越大。

是不是很有魔性啊。哈哈。


  static final int COUNT = 6;
  
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    new Thread(new Challenger("张三")).start();
    new Thread(new Challenger("李四")).start();
    new Thread(new Challenger("王五")).start();
    new Thread(new Challenger("赵六")).start();
    new Thread(new Challenger("大胖")).start();
    new Thread(new Challenger("小白")).start();
    synchronized (ThreadCo4.class) {
      ThreadCo4.class.wait();
    }
  }
  
  static Phaser ph = new Phaser() {
    
    protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {
      println2("第(%d)局,剩余[%d]人", phase, registeredParties);
      return registeredParties == 0 ||
          (phase != 0 && registeredParties == COUNT);
    };
  };
  
  static class Challenger implements Runnable {
    
    String name;
    int state;
    
    Challenger(String name) {
      this.name = name;
      this.state = 0;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      println("[%s]开始挑战。。。", name);
      ph.register();
      int phase = 0;
      int h;
      while (!ph.isTerminated() && phase < 100) {
        doingLongTime(5);
        if (state == 0) {
          if (Decide.goon()) {
            h = ph.arriveAndAwaitAdvance();
            if (h < 0)
              println("No%d.[%s]继续,但已胜利。。。", phase, name);
            else
              println("No%d.[%s]继续at(%d)。。。", phase, name, h);
          } else {
            state = -1;
            h = ph.arriveAndDeregister();
            println("No%d.[%s]退出at(%d)。。。", phase, name, h);
          }
        } else {
          if (Decide.revive()) {
            state = 0;
            h = ph.register();
            if (h < 0)
              println("No%d.[%s]复活,但已失败。。。", phase, name);
            else
              println("No%d.[%s]复活at(%d)。。。", phase, name, h);
          } else {
            println("No%d.[%s]没有复活。。。", phase, name);
          }
        }
        phase++;
      }
      if (state == 0) {
        ph.arriveAndDeregister();
      }
      println("[%s]结束。。。", name);
    }
    
  }
  
  static class Decide {

    static boolean goon() {
      return random(9) > 4;
    }
    
    static boolean revive() {
      return random(9) < 5;
    }
  }

解说:某个线程到达预设点后,可以选择等待同伴或自己退出,等大家都到达后,再一起向下一个预设点出发,随时都可以有新的线程加入,退出的也可以再次加入。

4.生产与销售的问题

在现实中,工厂生产出来的产品会先放到仓库存储,销售人员签了单子后,会从仓库把产品发给客户。

如果生产的过快,仓库里产品越堆越多,直到把仓库堆满,那就必须停止生产,因为没地方放了。

此时只能让销售人员赶紧出去签单子,把产品发出去,仓库就有了空间,可以恢复生产了。

如果销售的过快,仓库里产品越来越少,直到把仓库清空,那就必须停止销售,因为没产品了。

此时只能让生产人员赶紧生产产品,把产品放到仓库里,仓库里就有了产品,可以恢复销售了。

可能会有人问,为什么不让生产和销售直接挂钩呢,把仓库这个环节去掉?

这样会造成两种不好的情况:

一是突然来了很多单子,生产人员累成死Dog也生产不出来。

二是很长时间没有单子,生产人员闲成废Dog也无事可做。

用稍微“专业”点的术语就是此时的生产和销售是一种强耦合的关系,销售的波动对生产影响太大。

仓库就是一个缓冲区,能有效的吸收波动,很大程度上减少波动的传递,起到一种解耦作用,由强耦合变成一种松散耦合。

这其实就对应计算机里经典的生产者和消费者问题。

经典的生产者和消费者

一到多个线程充当生产者,生产元素。一到多个线程充当消费者,消费元素。

在两者之间插入一个队列(Queue)充当缓冲区,建立起生产者和消费者的松散耦合。

正常情况下,即生产元素的速度和消费元素的速度差不多时,生产者和消费者其实是不需要去关注对方的。

生产者可以一直生产,因为队列里总是有空间。消费者可以一直消费,因为队列里总是有元素。即达到一个动态的平衡。

但在特殊情况下,比如生产元素的速度很快,队列里没有了空间,此时生产者必须自我“ba工”,开始“睡大觉”。

一旦消费者消费了元素之后,队列里才会有空间,生产者才可以重启生产,所以,消费者在消费完元素后有义务去叫醒生产者复工。

更准确的说法应该是,只有在生产者“睡大觉”时,消费者消费完元素后才需要去叫醒生产者。否则,其实可以不用叫醒,因为人家本来就没睡。

反之,如果消费元素的速度很快,队列里没有了元素,只需把上述情况颠倒过来即可。

但这样的话就会引入一个新的问题,就是要能够准备的判断出对方有没有在睡大觉,为此就必须定义一个状态变量,在自己即将开始睡大觉时,自己设置下这个变量。

对方通过检测这个变量,来决定是否进行叫醒操作。当自己被叫醒后,首先要做的就是清除一下这个变量,表明我已经醒来复工了。

这样就需要多维护一个变量和多了一部分判断逻辑。可能有些人会觉得可以通过判断队列的“空”或“满”(即队列中的元素数目)来决定是否进行叫醒操作。

在高并发下,可能刚刚判断队列不为空,瞬间之后队列可能已经变为空的了,这样会导致逻辑出错。线程可能永远无法被叫醒。

因此,综合所有,生产者每生产一个元素后,都会通知消费者,“现在有元素的,你可以消费”。

同样,消费者每消费一个元素后,也会通知生产者,“现在有空间的,你可以生产”。

很明显,这些通知很多时候(即对方没有睡大觉时)是没有真正意义的,不过无所谓,只要忽略它们就行了。

就是“宁可错杀一千,也不放过一个”。首先要保证是正确的,然后才有资格去BB别的。


  public static void main(String[] args) {
    Queue queue = new Queue();
    new Thread(new Producer(queue)).start();
    new Thread(new Producer(queue)).start();
    new Thread(new Consumer(queue)).start();
  }
  
  static class Producer implements Runnable {

    Queue queue;
    
    Producer(Queue queue) {
      this.queue = queue;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      try {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          doingLongTime();
          queue.putEle(random(10000));
        }
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
    
  }

  static class Consumer implements Runnable {

    Queue queue;
    
    Consumer(Queue queue) {
      this.queue = queue;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      try {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          doingLongTime();
          queue.takeEle();
        }
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
    
  }

  static class Queue {
    Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition prodCond  = lock.newCondition();
    Condition consCond = lock.newCondition();
    
    final int CAPACITY = 10;
    Object[] container = new Object[CAPACITY];
    int count = 0;
    int putIndex = 0;
    int takeIndex = 0;
    
    public void putEle(Object ele) throws InterruptedException {
      try {
        lock.lock();
        while (count == CAPACITY) {
          println("队列已满:%d,生产者开始睡大觉。。。", count);
          prodCond.await();
        }
        container[putIndex] = ele;
        println("生产元素:%d", ele);
        putIndex++;
        if (putIndex >= CAPACITY) {
          putIndex = 0;
        }
        count++;
        println("通知消费者去消费。。。");
        consCond.signalAll();
      } finally {
        lock.unlock();
      }
    }
    
    public Object takeEle() throws InterruptedException {
      try {
        lock.lock();
        while (count == 0) {
          println("队列已空:%d,消费者开始睡大觉。。。", count);
          consCond.await();
        }
        Object ele = container[takeIndex];
        println("消费元素:%d", ele);
        takeIndex++;
        if (takeIndex >= CAPACITY) {
          takeIndex = 0;
        }
        count--;
        println("通知生产者去生产。。。");
        prodCond.signalAll();
        return ele;
      } finally {
        lock.unlock();
      }
    }
  }

解说:其实就是对await/signalAll的应用,几乎面试必问。

源代码

https://github.com/coding-new-talking/java-code-demo.git

本文转载自公众号编程新说

转载请注明原文链接:ZJ-Wave

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