生如蚁美如神 2019-10-23
在谈到DelayQueue的使用和原理的时候,我们首先介绍一下DelayQueue,DelayQueue是一个无界阻塞队列,只有在延迟期满时才能从中提取元素。该队列的头部是延迟期满后保存时间最长的Delayed元素。
DelayQueue阻塞队列在我们系统开发中也常常会用到,例如:缓存系统的设计,缓存中的对象,超过了空闲时间,需要从缓存中移出;任务调度系统,能够准确的把握任务的执行时间。我们可能需要通过线程处理很多时间上要求很严格的数据,如果使用普通的线程,我们就需要遍历所有的对象,一个一个的检查看数据是否过期等,首先这样在执行上的效率不会太高,其次就是这种设计的风格也大大的影响了数据的精度。一个需要12:00点执行的任务可能12:01才执行,这样对数据要求很高的系统有更大的弊端。由此我们可以使用DelayQueue。
下面将会对DelayQueue做一个介绍,然后举个例子。并且提供一个Delayed接口的实现和Sample代码。DelayQueue是一个BlockingQueue,其特化的参数是Delayed。(不了解BlockingQueue的同学,先去了解BlockingQueue再看本文)Delayed扩展了Comparable接口,比较的基准为延时的时间值,Delayed接口的实现类getDelay的返回值应为固定值(final)。DelayQueue内部是使用PriorityQueue实现的。
DelayQueue=BlockingQueue+PriorityQueue+Delayed
DelayQueue的关键元素BlockingQueue、PriorityQueue、Delayed。可以这么说,DelayQueue是一个使用优先队列(PriorityQueue)实现的BlockingQueue,优先队列的比较基准值是时间。
他们的基本定义如下
public interface Comparable<T> { public int compareTo(T o); } public interface Delayed extends Comparable<Delayed> { long getDelay(TimeUnit unit); } public class DelayQueue<E extends Delayed> implements BlockingQueue<E> { private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>(); }
DelayQueue 内部的实现使用了一个优先队列。当调用 DelayQueue 的 offer 方法时,把 Delayed 对象加入到优先队列 q 中。如下:
public Boolean offer(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { E first = q.peek(); q.offer(e); if (first == null || e.compareTo(first) < 0) available.signalAll(); return true; } finally { lock.unlock(); } }
DelayQueue 的 take 方法,把优先队列 q 的 first 拿出来(peek),如果没有达到延时阀值,则进行 await处理。如下:
public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { for (; ; ) { E first = q.peek(); if (first == null) { available.await(); } else { long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS); if (delay > 0) { long tl = available.awaitNanos(delay); } else { E x = q.poll(); assert x != null; if (q.size() != 0) available.signalAll(); //wake up other takers return x; } } } } finally { lock.unlock(); } }
DelayQueue 实例应用
Ps:为了具有调用行为,存放到 DelayDeque 的元素必须继承 Delayed 接口。Delayed 接口使对象成为延迟对象,它使存放在 DelayQueue 类中的对象具有了激活日期。该接口强制执行下列两个方法。
一下将使用 Delay 做一个缓存的实现。其中共包括三个类Pair、DelayItem、Cache
Pair 类:
public class Pair<K, V> { public K first; public V second; public Pair() { } public Pair(K first, V second) { this.first = first; this.second = second; } }
以下是对 Delay 接口的实现:
import java.util.concurrent.Delayed; import java.util.concurrent.TimeUnit; import java.util.concurrent.atomic.Atomiclong; public class DelayItem<T> implements Delayed { /** * Base of nanosecond timings, to avoid wrapping */ private static final long NANO_ORIGIN = System.nanoTime(); /** * Returns nanosecond time offset by origin */ final static long now() { return System.nanoTime() - NANO_ORIGIN; } /** * Sequence number to break scheduling ties, and in turn to guarantee FIFO order among tied * entries. */ private static final Atomiclong sequencer = new Atomiclong(0); /** * Sequence number to break ties FIFO */ private final long sequenceNumber; /** * The time the task is enabled to execute in nanoTime units */ private final long time; private final T item; public DelayItem(T submit, long timeout) { this.time = now() + timeout; this.item = submit; this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); } public T getItem() { return this.item; } public long getDelay(TimeUnit unit) { long d = unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS); return d; } public int compareTo(Delayed other) { if (other == this) // compare zero ONLY if same object return 0; if (other instanceof DelayItem) { DelayItem x = (DelayItem) other; long diff = time - x.time; if (diff < 0) return -1; else if (diff > 0) return 1; else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber) return -1; else return 1; } long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)); return (d == 0) ?0 :((d < 0) ?-1 :1); } }
以下是 Cache 的实现,包括了 put 和 get 方法
import javafx.util.Pair; import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; import java.util.concurrent.ConcurrentMap; import java.util.concurrent.DelayQueue; import java.util.concurrent.TimeUnit; import java.util.logging.Level; import java.util.logging.Logger; public class Cache<K, V> { private static final Logger LOG = Logger.getLogger(Cache.class.getName()); private ConcurrentMap<K, V> cacheObjMap = new ConcurrentHashMap<K, V>(); private DelayQueue<DelayItem<Pair<K, V>>> q = new DelayQueue<DelayItem<Pair<K, V>>>(); private Thread daemonThread; public Cache() { Runnable daemonTask = new Runnable() { public void run() { daemonCheck(); } } ; daemonThread = new Thread(daemonTask); daemonThread.setDaemon(true); daemonThread.setName("Cache Daemon"); daemonThread.start(); } private void daemonCheck() { if (LOG.isLoggable(Level.INFO)) LOG.info("cache service started."); for (; ; ) { try { DelayItem<Pair<K, V>> delayItem = q.take(); if (delayItem != null) { // 超时对象处理 Pair<K, V> pair = delayItem.getItem(); cacheObjMap.remove(pair.first, pair.second); // compare and remove } } catch (InterruptedException e) { if (LOG.isLoggable(Level.SEVERE)) LOG.log(Level.SEVERE, e.getMessage(), e); break; } } if (LOG.isLoggable(Level.INFO)) LOG.info("cache service stopped."); } // 添加缓存对象 public void put(K key, V value, long time, TimeUnit unit) { V oldValue = cacheObjMap.put(key, value); if (oldValue != null) q.remove(key); long nanoTime = TimeUnit.NANOSECONDS.convert(time, unit); q.put(new DelayItem<Pair<K, V>>(new Pair<K, V>(key, value), nanoTime)); } public V get(K key) { return cacheObjMap.get(key); } }
测试 main 方法:
// 测试入口函数 public static void main(String[] args) throws Exception { Cache<Integer, String> cache = new Cache<Integer, String>(); cache.put(1, "aaaa", 3, TimeUnit.SECONDS); Thread.sleep(1000 * 2); { String str = cache.get(1); System.out.println(str); } Thread.sleep(1000 * 2); { String str = cache.get(1); System.out.println(str); } }
输出结果为:
aaaa null
我们看到上面的结果,如果超过延时的时间,那么缓存中数据就会自动丢失,获得就为 null。
首先我们需要了解悲观锁和乐观锁
乐观锁的实现往往需要硬件的支持,多数处理器都都实现了一个CAS指令,实现“Compare And Swap”的语义(这里的swap是“换入”,也就是set),构成了基本的乐观锁。CAS包含3个操作数:
当且仅当位置V的值等于A时,CAS才会通过原子方式用新值B来更新位置V的值;否则不会执行任何操作。无论位置V的值是否等于A,都将返回V原有的值。一个有意思的事实是,“使用CAS控制并发”与“使用乐观锁”并不等价。CAS只是一种手段,既可以实现乐观锁,也可以实现悲观锁。乐观、悲观只是一种并发控制的策略。
这个问题需要考虑到Lock与synchronized两种实现锁的不同情形。因为这种情况下使用Lock和synchronized会有截然不同的结果。Lock可以让等待锁的线程响应中断,Lock获取锁,之后需要释放锁。如下代码,多个线程不可访问同一个类中的2个加了Lock锁的方法。
package com.wityx; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class qq { private int count = 0; private Lock lock = new ReentrantLock(); //设置 lock 锁 //方法 1 public Runnable run1 = new Runnable() { public void run() { lock.lock(); //加锁 while (count < 1000) { try { //打印是否执行该方法 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run1: " + count++); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } lock.unlock(); } //方法 2 public Runnable run2 = new Runnable() { public void run() { lock.lock(); while (count < 1000) { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run2: " + count++); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } lock.unlock(); } } ; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { qq t = new qq(); //创建一个对象 new Thread(t.run1).start(); //获取该对象的方法 1 new Thread(t.run2).start(); //获取该对象的方法 2 } }
结果是:
Thread-0 run1: 0 Thread-0 run1: 1 Thread-0 run1: 2 Thread-0 run1: 3 Thread-0 run1: 4 Thread-0 run1: 5 Thread-0 run1: 6 ........
而synchronized却不行,使用synchronized时,当我们访问同一个类对象的时候,是同一把锁,所以可以访问该对象的其他synchronized方法。代码如下:
package com.wityx; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class qq { private int count = 0; private Lock lock = new ReentrantLock(); public Runnable run1 = new Runnable() { public void run() { synchronized (this) { //设置关键字 synchronized,以当前类为锁 while (count < 1000) { try { //打印是否执行该方法 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run1: " + count++); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } } } ; public Runnable run2 = new Runnable() { public void run() { synchronized (this) { while (count < 1000) { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run2: " + count++); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } } } ; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { qq t = new qq(); //创建一个对象 new Thread(t.run1).start(); //获取该对象的方法 1 new Thread(t.run2).start(); //获取该对象的方法 2 } }
结果为:
Thread-1 run2: 0 Thread-1 run2: 1 Thread-1 run2: 2 Thread-0 run1: 0 Thread-0 run1: 4 Thread-0 run1: 5 Thread-0 run1: 6 ......
死锁产生的必要条件:
产生死锁的一个例子:
package com.wityx; /** * 一个简单的死锁类 * 当 DeadLock 类的对象 flag==1 时(td1),先锁定 o1,睡眠 500 毫秒 * 而 td1 在睡眠的时候另一个 flag==0 的对象(td2)线程启动,先锁定 o2,睡眠 500 毫秒 * <p> * <p> * <p> * td1 睡眠结束后需要锁定 o2 才能继续执行,而此时 o2 已被 td2 锁定; * td2 睡眠结束后需要锁定 o1 才能继续执行,而此时 o1 已被 td1 锁定; * td1、td2 相互等待,都需要得到对方锁定的资源才能继续执行,从而死锁。 */ public class DeadLock implements Runnable { public int flag = 1; //静态对象是类的所有对象共享的 private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object(); public void run() { System.out.println("flag=" + flag); if (flag == 1) { synchronized (o1) { try { Thread.sleep(500); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } synchronized (o2) { System.out.println("1"); } } } if (flag == 0) { synchronized (o2) { try { Thread.sleep(500); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } synchronized (o1) { System.out.println("0"); } } } } public static void main(String[] args) { DeadLock td1 = new DeadLock(); DeadLock td2 = new DeadLock(); td1.flag = 1; td2.flag = 0; //td1,td2 都处于可执行状态,但 JVM 线程调度先执行哪个线程是不确定的。 //td2 的 run()可能在 td1 的 run()之前运行 new Thread(td1).start(); new Thread(td2).start(); } }
在有些情况下死锁是可以避免的。两种用于避免死锁的技术:
加锁顺序(线程按照一定的顺序加锁)
package wityx.com; public class DeadLock { public int flag = 1; //静态对象是类的所有对象共享的 private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object(); public void money(int flag) { this.flag = flag; if (flag == 1) { synchronized (o1) { try { Thread.sleep(500); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } synchronized (o2) { System.out.println("当前的线程是" + Thread.currentThread().getName() + " " + "flag 的值" + "1"); } } } if (flag == 0) { synchronized (o2) { try { Thread.sleep(500); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } synchronized (o1) { System.out.println("当前的线程是" + Thread.currentThread().getName() + " " + "flag 的值" + "0"); } } } } public static void main(String[] args) { final DeadLock td1 = new DeadLock(); final DeadLock td2 = new DeadLock(); td1.flag = 1; td2.flag = 0; //td1,td2 都处于可执行状态,但 JVM 线程调度先执行哪个线程是不确定的。 //td2 的 run()可能在 td1 的 run()之前运行 final Thread t1 = new Thread(new Runnable() { public void run() { td1.flag = 1; td1.money(1); } } ); t1.start(); Thread t2 = new Thread(new Runnable() { public void run() { // TODO Auto-generated method stub try { //让 t2 等待 t1 执行完 t1.join(); //核心代码,让 t1 执行完后 t2 才会执行 } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } td2.flag = 0; td1.money(0); } } ); t2.start(); } }
结果:
当前的线程是 Thread-0 flag 的值 1 当前的线程是 Thread-1 flag 的值 0
加锁时限(线程尝试获取锁的时候加上一定的时限,超过时限则放弃对该锁的请求,并释放自己占有的锁)。
package com.wityx; import java.util.concurrent.TimeUnit; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class DeadLock { public int flag = 1; //静态对象是类的所有对象共享的 private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object(); public void money(int flag) throws InterruptedException { this.flag = flag; if (flag == 1) { synchronized (o1) { Thread.sleep(500); synchronized (o2) { System.out.println("当前的线程是" + Thread.currentThread().getName() + " " + "flag 的值" + "1"); } } } if (flag == 0) { synchronized (o2) { Thread.sleep(500); synchronized (o1) { System.out.println("当前的线程是" + Thread.currentThread().getName() + " " + "flag 的值" + "0"); } } } } public static void main(String[] args) { final Lock lock = new ReentrantLock(); final DeadLock td1 = new DeadLock(); final DeadLock td2 = new DeadLock(); td1.flag = 1; td2.flag = 0; //td1,td2 都处于可执行状态,但 JVM 线程调度先执行哪个线程是不确定的。 //td2 的 run()可能在 td1 的 run()之前运行39. final Thread t1 = new Thread(new Runnable() { public void run() { // TODO Auto-generated method stub String tName = Thread.currentThread().getName(); td1.flag = 1; try { //获取不到锁,就等 5 秒,如果 5 秒后还是获取不到就返回 false if (lock.tryLock(5000, TimeUnit.MILLISECONDS)) { System.out.println(tName + "获取到锁!"); } else { System.out.println(tName + "获取不到锁!"); return; } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } try { td1.money(1); } catch (Exception e) { System.out.println(tName + "出错了!!!"); } finally { System.out.println("当前的线程是" + Thread.currentThread().getName() + "释放锁!!"); lock.unlock(); } } } ); t1.start(); Thread t2 = new Thread(new Runnable() { public void run() { String tName = Thread.currentThread().getName(); // TODO Auto-generated method stub td1.flag = 1; try { //获取不到锁,就等 5 秒,如果 5 秒后还是获取不到就返回 false if (lock.tryLock(5000, TimeUnit.MILLISECONDS)) { System.out.println(tName + "获取到锁!"); } else { System.out.println(tName + "获取不到锁!"); return; } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } try { td2.money(0); } catch (Exception e) { System.out.println(tName + "出错了!!!"); } finally { System.out.println("当前的线程是" + Thread.currentThread().getName() + "释放锁!!"); lock.unlock(); } } } ); t2.start(); } }
打印结果:
Thread-0获取到锁! 当前的线程是Thread-0 flag的值1 当前的线程是Thread-0释放锁!! Thread-1获取到锁! 当前的线程是Thread-1 flag的值0 当前的线程是Thread-1释放锁!!
线程通信的方式:
共享变量
线程间通信可以通过发送信号,发送信号的一个简单方式是在共享对象的变量里设置信号值。线程A在一个同步块里设置boolean型成员变量hasDataToProcess为true,线程B也在同步块里读取hasDataToProcess这个成员变量。这个简单的例子使用了一个持有信号的对象,并提供了set和get方法:
package com.wityx; public class MySignal { //共享的变量 private Boolean hasDataToProcess = false; //取值 public Boolean getHasDataToProcess() { return hasDataToProcess; } //存值 public void setHasDataToProcess(Boolean hasDataToProcess) { this.hasDataToProcess = hasDataToProcess; } public static void main(String[] args) { //同一个对象 final MySignal my = new MySignal(); //线程 1 设置 hasDataToProcess 值为 true final Thread t1 = new Thread(new Runnable() { public void run() { my.setHasDataToProcess(true); } } ); t1.start(); //线程 2 取这个值 hasDataToProcess Thread t2 = new Thread(new Runnable() { public void run() { try { //等待线程 1 完成然后取值 t1.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } my.getHasDataToProcess(); System.out.println("t1 改变以后的值:" + my.isHasDataToProcess()); } } ); t2.start(); } }
结果:
t1 改变以后的值:true
以资源为例,生产者生产一个资源,通知消费者就消费掉一个资源,生产者继续生产资源,消费者消费资源,以此循环。代码如下:
package com.wityx; //资源类 class Resource { private String name; private int count = 1; private Boolean flag = false; public synchronized void set(String name) { //生产资源 while (flag) { try { //线程等待。消费者消费资源 wait(); } catch (Exception e) { } } this.name = name + "---" + count++; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "...生产者..." + this.name); flag = true; //唤醒等待中的消费者 this.notifyAll(); } public synchronized void out() { //消费资源 while (!flag) { //线程等待,生产者生产资源 try { wait(); } catch (Exception e) { } } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "...消费者..." + this.name); flag = false; //唤醒生产者,生产资源 this.notifyAll(); } } //生产者 class Producer implements Runnable { private Resource res; Producer(Resource res) { this.res = res; } //生产者生产资源 public void run() { while (true) { res.set("商品"); } } } //消费者消费资源 class Consumer implements Runnable { private Resource res; Consumer(Resource res) { this.res = res; } public void run() { while (true) { res.out(); } } } public class ProducerConsumerDemo { public static void main(String[] args) { Resource r = new Resource(); Producer pro = new Producer(r); Consumer con = new Consumer(r); Thread t1 = new Thread(pro); Thread t2 = new Thread(con); t1.start(); t2.start(); } }
特点:线程的划分尺度小于进程,这使多线程程序拥有高并发性,进程在运行时各自内存单元相互独立,线程之间内存共享,这使多线程编程可以拥有更好的性能和用户体验。
注意:多线程编程对于其它程序是不友好的,占据大量cpu资源。
注意:java 5通过Lock接口提供了显示的锁机制,Lock接口中定义了加锁(lock()方法)和解锁(unLock()方法),增强了多线程编程的灵活性及对线程的协调。
启动一个线程是调用 start()方法,使线程所代表的虚拟处理机处于可运行状态,这意味着它可以由 JVM 调度并执行,这并不意味着线程就会立即运行。
run()方法是线程启动后要进行回调(callback)的方法。
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