【线程】Java多线程代码案例（2）

一、定时器的实现

1.1Java标准库定时器

import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;public class ThreadDemo5 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Timer timer =new Timer();timer.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println("1000");}},1000);System.out.println("hello main");}
}

1.2 定时器的实现

首先考虑，定时器中都需要都需要实现哪些元素呢？

1. 需要有一个线程，负责掐时间
2. 还需要有一个队列，能够保存所有添加进来的任务，这个队列要带有阻塞功能
   因为这个任务，要先执行时间小的，再执行时间大的。此处我们可以实现一个优先级队列。那么时间小的任务就始终排在第一位，我们只需要关注队首元素是否到时间，如果队首没有到时间，那么后续其他元素，也一定没有到时间。

首先定义任务类，包含要执行的任务和时间

class MyTimerTask implements Comparable<MyTimerTask>{//执行时间private long time;//持有一个Runnableprivate Runnable runnable;public MyTimerTask(Runnable runnable,long delay){this.time=System.currentTimeMillis()+delay;this.runnable=runnable;}//实际要执行的任务public void run(){runnable.run();}public long getTime() {return time;}@Override//因为要加入优先级队列，必须能比较public int compareTo(MyTimerTask o) {return (int)(this.time-o.time);}
}

定义计时器

class MyTimer{//持有一个线程负责计时private Thread t=null;//优先级队列private PriorityQueue<MyTimerTask> queue =new PriorityQueue<>();//前面实现阻塞队列的逻辑，加锁private Object locker =new Object();//添加任务public void schedule(Runnable runnable,long delay){}//构造方法//注意执行任务并不需要我们写一个方法在main()函数中调用//这个是到时间自动执行的public MyTimer(){t=new Thread(()->{while(true){//到时间执行任务的逻辑}});}
}

那接下来我们就来分别实现这里的schedule方法和构造函数中执行任务的逻辑：
schedule()：

public void schedule(Runnable runnable,long delay){//入队列和出队列都需要打包成“原子性”的操作，加锁实现synchronized(locker){//新建任务MyTimerTask task=new MyTimerTask(runnable,delay);//加入队列queue.offer(task);//参考前面阻塞队列的实现，当队列为空时wait(),加入元素后notify()locker.notify();}
}

构造方法：

public MyTimer(){t=new Thread(()->{while(true){try{synchronized(locker){while(queue.isEmpty()){//阻塞直到加入新的任务后被notify()唤醒locker.wait();}//查看队首元素//peek不会将元素弹出MyTimerTask task=queue.peek;if(System.currentTimeMillis() >= task.getTime()){queue.poll();task.run();}else{//阻塞，释放锁（允许继续添加任务）//设置最大阻塞时间，阻塞到这个时间到了locker.wait(task.getTime()-System.currentTimeMillis());}}catch (InterruptedException e) {break;}}});	//启动线程t.start();
}

写到这里，就大功告成了，我们在main()函数中试验看一下运行结果：

public class ThreadDemo5{public static void main(String[] args) {MyTimer timer=new MyTimer();timer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println(3000);}},3000);timer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println(2000);}},2000);timer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println(1000);}},1000);Thread.sleep(4000);timer.cancel();}
}

这里我们再加一个方法，我们希望任务执行完成后，能够主动结束这个线程：

public void cancel(){t.interrupt();
}

这里需要考虑线程被提前唤醒抛出的异常，因此在构造方法中将捕获异常的操作改为break;

计时器完整代码：

import java.util.PriorityQueue;class MyTimerTask implements Comparable<MyTimerTask>{//执行时间private long time;//持有一个Runnableprivate Runnable runnable;public MyTimerTask(Runnable runnable,long delay){this.time=System.currentTimeMillis()+delay;this.runnable=runnable;}//实际要执行的任务public void run(){runnable.run();}public long getTime() {return time;}@Overridepublic int compareTo(MyTimerTask o) {return (int)(this.time-o.time);}
}class MyTimer{//持有一个线程负责计时private Thread t=null;//任务队列——>优先级队列private PriorityQueue<MyTimerTask> queue =new PriorityQueue<>();//锁对象private Object locker=new Object();public void schedule(Runnable runnable,long delay){synchronized (locker) {//新建任务MyTimerTask task = new MyTimerTask(runnable, delay);//加入队列queue.offer(task);locker.notify();}}public void cancel(){t.interrupt();}public MyTimer(){t = new Thread(() -> {while (true) {try {synchronized (locker) {while (queue.isEmpty()) {//阻塞locker.wait();}//查看队首元素MyTimerTask task = queue.peek();if (System.currentTimeMillis() >= task.getTime()) {queue.poll();task.run();} else {//阻塞locker.wait(task.getTime()-System.currentTimeMillis());}}} catch (InterruptedException e) {break;}}});t.start();}
}
public class ThreadDemo5{public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyTimer timer=new MyTimer();timer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println(3000);}},3000);timer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println(2000);}},2000);timer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println(1000);}},1000);Thread.sleep(4000);timer.cancel();}
}

二、线程池的实现

2.1 线程池

最初我们提到线程这个概念，其实是一个“轻量级进程”。他的优势在于无需频繁地向系统申请/释放内存，提高了效率。但是随着线程的增多，频繁地创建/销毁线程也是一个很大的开销。解决方案有两种：

1. 轻量级线程（协程），Java 21中引入了虚拟线程，就是这个东西。协程主要在Go语言中有较好的运用。
2. 其次就是引入线程池的概念，无需频繁创建/销毁线程，而是一次性的创建好许多线程，每次直接取用，用完了放回线程池中。

为什么从线程池里取线程，会比从系统中申请更高效。
本质上在于去线程池里取线程，是一个用户态的操作，而向系统申请线程是一个内核态的操作。

还是以去银行取钱为例，向系统申请线程，就相当于找工作人员，在柜台取钱（工作人员收到请求后可能不会立即给你取钱），相对低效；而从线程池中取用线程，则相当于从ATM机里面取钱（从ATM机里面取钱是可以立即取到的），相对高效。

2.2 Java标准库中的线程池

这里我们可以细看一下这里的参数：

1. corePoolSize(核心线程数)
   一个线程池里，最少要有多少个线程，相当于正式工，不会被销毁。
2. maximumPoolSize(最大线程数)
   一个线程池里，最多要有多少个线程，相当于临时工，一段时间不干活就被销毁。
3. keepAliveTime
   临时工允许的空闲时间，超过这个时间，就被销毁。
4. unit
   keepAliveTime的时间单位
5. BlockingQueue workQueue
   传递任务的阻塞队列
6. threadFactory
   创建线程的工厂，参与具体的创建线程的工作。
   这里涉及到工厂模式，试想这样的代码能否运行：

class Point{//笛卡尔坐标系public point(double x,double y){...}//极坐标系public point(double r,double a){...}
}

像这样的代码是无法运行的。因为他们具有相同的方法名和参数列表，无法完成重载。那如果确实想完成这样的操作，该怎么做呢?

class Point{public static Point makePointByXY(double x, double y){Point p=new Point();p.setX(x);p.setY(y);return p;}public static Point makePointByRA(double r,double a){Point p=new Point();p.setR(r);p.setA(a);return p;}
}
Point p=Point.makePointByXY(x,y);
Point p=Point.makePointByRA(r,a);

总的来说，通过静态方法封装new操作，在方法内部设定不同的属性完成对象的初始化，构造对象的过程，就是工厂模式。

7. RejectedExecutionHandler handler
   拒绝策略。如果这里的阻塞队列满了，此时要添加任务，就需要有一个应对策略。

策略	含义	备注
AbortPolicy()	超过负荷，抛出异常	所有任务都不做了
CallerRunsPolicy()	调用者负责处理多出来的任务	所有任务都要做，新加的任务由添加任务的线程做
DiscardOldestPolicy()	丢弃队列中最老的任务	不做最老的任务
DiscardPolicy()	丢弃新来的任务	不做最新的任务

由于ThreadPoolExecutor本身用起来比较复杂，因此标准库还提供了一个版本，把ThreadPoolExecutor给封装了一下。Executors 工厂类，通过这个类来创建不同的线程池对象（内部把ThreadPoolExecutor创建好了并且设置了不同的参数）
大致有这么几种方法：

方法	用途
newScheduleThreadExecutor()	创建定时器线程，延时执行任务
newSingleThreadExecutor()	只包含单个线程的线程池
newCachedThreadExecutor()	线程数目能够动态扩容
newFixedThreadExecutor()	线程数目固定

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class ThreadDemo6 {public static void main(String[] args) {ExecutorService service=Executors.newFixedThreadPool(4);service.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello");}});}
}

那么，对于一个多线程任务，创建多少个线程合适呢？

1. 如果任务都是CPU密集型的（大部分时间在CPU上执行），此时线程数不应超过逻辑核心数；
2. 如果任务都是IO密集型的（大部分时间在等待IO），此时线程数可以远远超过逻辑核心数；
3. 由于实际的任务都是两种任务混合型的，一般通过实验的方式来得到最合适的线程数。

2.3 线程池的实现

我们可以实现一个简单的线程池（固定线程数目的线程池），要完成以下任务：

1. 提供构造方法，指定创建多少个线程；
2. 在构造方法中，创建线程；
3. 有一个阻塞队列，能够执行要执行的任务；
4. 提供submit()方法，添加新的任务

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;class MyThreadPoolExecutor{private List<Thread> threadList=new ArrayList<>();//阻塞队列private BlockingQueue<Runnable> queue=new ArrayBlockingQueue<>(10);public MyThreadPoolExecutor(int n){for(int i=0;i<n;i++){Thread t=new Thread(()-> {while (true) {try {//take操作也带有阻塞Runnable runnable = queue.take();runnable.run();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}});t.start();threadList.add(t);}}public void submit(Runnable runnable) throws InterruptedException {//put操作带有阻塞功能queue.put(runnable);}
}
public class ThreadDemo6 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyThreadPoolExecutor executor=new MyThreadPoolExecutor(4);for(int i=0;i<1000;i++){int n=i;executor.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("执行任务："+n+",当前线程："+Thread.currentThread().getName());}});}}
}

运行结果：