首先阐述什么是同步，不同步有什么问题，然后讨论可以采取哪些措施控制同步，接下来我们会仿照回顾网络通信时那样，构建一个服务器端的“线程池”，JDK为我们提供了一个很大的concurrent工具包，最后我们会对里面的内容进行探索。
为什么要线程同步？
说到线程同步，大部分情况下， 我们是在针对“单对象多线程”的情况进行讨论，一般会将其分成两部分，一部分是关于“共享变量”，一部分关于“执行步骤”。
共享变量
当我们在线程对象（Runnable）中定义了全局变量，run方法会修改该变量时，如果有多个线程同时使用该线程对象，那么就会造成全局变量的值被同时修改，造成错误。我们来看下面的代码：
public void run()
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
for (int i = 1; i <= 100; i++)
{
sum += i;
}
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + sum);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
}
}
private static void sharedVaribleTest() throws InterruptedException
{
MyRunner runner = new MyRunner();
Thread thread1 = new Thread(runner);
Thread thread2 = new Thread(runner);
thread1.setDaemon(true);
thread2.setDaemon(true);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
}
我们在多个线程运行时，可能需要某些操作合在一起作为“原子操作”，即在这些操作可以看做是“单线程”的，例如我们可能希望输出结果的样子是这样的：
private static void syncTest() throws InterruptedException
{
MyNonSyncRunner runner = new MyNonSyncRunner();
Thread thread1 = new Thread(runner);
Thread thread2 = new Thread(runner);
thread1.setDaemon(true);
thread2.setDaemon(true);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
}
既然线程同步有上述问题，那么我们应该如何去解决呢？针对不同原因造成的同步问题，我们可以采取不同的策略。
控制共享变量
我们可以采取3种方式来控制共享变量。
将“单对象多线程”修改成“多对象多线程”
上文提及，同步问题一般发生在“单对象多线程”的场景中，那么最简单的处理方式就是将运行模型修改成“多对象多线程”的样子，针对上面示例中的同步问题，修改后的代码如下：
既然是共享变量造成的问题，那么我们可以将共享变量改为“不共享”，即将其修改为局部变量。这样也可以解决问题，同样针对上面的示例，这种解决方式的代码如下：
private static void sharedVaribleTest3() throws InterruptedException
{
MyRunner2 runner = new MyRunner2();
Thread thread1 = new Thread(runner);
Thread thread2 = new Thread(runner);
thread1.setDaemon(true);
thread2.setDaemon(true);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
}
ThreadLocal是JDK引入的一种机制，它用于解决线程间共享变量，使用ThreadLocal声明的变量，即使在线程中属于全局变量，针对每个线程来讲，这个变量也是独立的。
我们可以用这种方式来改造上面的代码，如下所示：
public void run()
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
for (int i = 0; i <= 100; i++)
{
if (tl.get() == null)
{
tl.set(new Integer(0));
}
int sum = ((Integer)tl.get()).intValue();
sum+= i;
tl.set(new Integer(sum));
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + ((Integer)tl.get()).intValue());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
}
}
private static void sharedVaribleTest4() throws InterruptedException
{
MyRunner3 runner = new MyRunner3();
Thread thread1 = new Thread(runner);
Thread thread2 = new Thread(runner);
thread1.setDaemon(true);
thread2.setDaemon(true);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
}
控制执行步骤
说到执行步骤，我们可以使用synchronized关键字来解决它。
private static void syncTest2() throws InterruptedException
{
MySyncRunner runner = new MySyncRunner();
Thread thread1 = new Thread(runner);
Thread thread2 = new Thread(runner);
thread1.setDaemon(true);
thread2.setDaemon(true);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
}
Thread thread1 = new Thread()
{
public void run()
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
Random r = new Random(100);
synchronized(list)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
list.add(new Integer(r.nextInt()));
}
System.out.println("The size of list is " + list.size());
}
try
{
Thread.sleep(500);
}
catch(InterruptedException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
}
};
Thread thread2 = new Thread()
{
public void run()
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
Random r = new Random(100);
synchronized(list)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
list.add(new Integer(r.nextInt()));
}
System.out.println("The size of list is " + list.size());
}
try
{
Thread.sleep(500);
}
catch(InterruptedException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
}
};
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
}
构造线程池
我们在<基于Java回顾之网络通信的应用分析>中，已经构建了一个Socket连接池，这里我们在此基础上，构建一个线程池，完成基本的启动、休眠、唤醒、停止操作。
基本思路还是以数组的形式保持一系列线程，通过Socket通信，客户端向服务器端发送命令，当服务器端接收到命令后，根据收到的命令对线程数组中的线程进行操作。
Socket客户端的代码保持不变，依然采用构建Socket连接池时的代码，我们主要针对服务器端进行改造。
首先，我们需要定义一个线程对象，它用来执行我们的业务操作，这里简化起见，只让线程进行休眠。
enum ThreadTask
{
Start,
Stop,
Sleep,
Wakeup
}
class MyThread extends Thread
{
public ThreadStatus status = ThreadStatus.Initial;
public ThreadTask task;
public void run()
{
status = ThreadStatus.Running;
while(true)
{
try {
Thread.sleep(3000);
if (status == ThreadStatus.Sleeping)
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入休眠状态。");
this.wait();
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运行过程中出现错误。");
status = ThreadStatus.Stopped;
}
}
}
}
public static void manageThread(MyThread thread, ThreadTask task)
{
if (task == ThreadTask.Start)
{
if (thread.status == ThreadStatus.Running)
{
return;
}
if (thread.status == ThreadStatus.Stopped)
{
thread = new MyThread();
}
thread.status = ThreadStatus.Running;
thread.start();
}
else if (task == ThreadTask.Stop)
{
if (thread.status != ThreadStatus.Stopped)
{
thread.interrupt();
thread.status = ThreadStatus.Stopped;
}
}
else if (task == ThreadTask.Sleep)
{
thread.status = ThreadStatus.Sleeping;
}
else if (task == ThreadTask.Wakeup)
{
thread.notify();
thread.status = ThreadStatus.Running;
}
}
public static String getThreadStatus(MyThread[] threads)
{
StringBuffer sb = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < threads.length; i++)
{
sb.append(threads[i].getName() + "的状态：" + threads[i].status).append("/r/n");
}
return sb.toString();
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException
{
MyThreadPool pool = new MyThreadPool(5);
}
private int threadCount;
private MyThread[] threads = null;
public MyThreadPool(int count) throws IOException
{
this.threadCount = count;
threads = new MyThread[count];
for (int i = 0; i < threads.length; i++)
{
threads[i] = new MyThread();
threads[i].start();
}
Init();
}
private void Init() throws IOException
{
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(5678);
while(true)
{
final Socket socket = serverSocket.accept();
Thread thread = new Thread()
{
public void run()
{
try
{
System.out.println("检测到一个新的Socket连接。");
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
PrintStream ps = new PrintStream(socket.getOutputStream());
String line = null;
while((line = br.readLine()) != null)
{
System.out.println(line);
if (line.equals("Count"))
{
System.out.println("线程池中有5个线程");
}
else if (line.equals("Status"))
{
String status = MyThreadManager.getThreadStatus(threads);
System.out.println(status);
}
else if (line.equals("StartAll"))
{
MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Start);
}
else if (line.equals("StopAll"))
{
MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Stop);
}
else if (line.equals("SleepAll"))
{
MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Sleep);
}
else if (line.equals("WakeupAll"))
{
MyThreadManager.manageThread(threads, ThreadTask.Wakeup);
}
else if (line.equals("End"))
{
break;
}
else
{
System.out.println("Command:" + line);
}
ps.println("OK");
ps.flush();
}
}
catch(Exception ex)
{
ex.printStackTrace();
}
}
};
thread.start();
}
}
}
为了简化开发人员在进行多线程开发时的工作量，并减少程序中的bug，JDK提供了一套concurrent工具包，我们可以用它来方便的开发多线程程序。
线程池
我们在上面实现了一个非常“简陋”的线程池，concurrent工具包中也提供了线程池，而且使用非常方便。
concurrent工具包中的线程池分为3类：ScheduledThreadPool、FixedThreadPool和CachedThreadPool。
首先我们来定义一个Runnable的对象
ScheduledThreadPool
这和我们平时使用的ScheduledTask比较类似，或者说很像Timer，它可以使得一个线程在指定的一段时间内开始运行，并且在间隔另外一段时间后再次运行，直到线程池关闭。
示例代码如下：
MyRunner runner = new MyRunner();
final ScheduledFuture<?> handler1 = scheduler.scheduleAtFixedRate(runner, 1, 10, TimeUnit.SECONDS);
final ScheduledFuture<?> handler2 = scheduler.scheduleWithFixedDelay(runner, 2, 10, TimeUnit.SECONDS);
scheduler.schedule(new Runnable()
{
public void run()
{
handler1.cancel(true);
handler2.cancel(true);
scheduler.shutdown();
}
}, 30, TimeUnit.SECONDS
);
}
这是一个指定容量的线程池，即我们可以指定在同一时间，线程池中最多有多个线程在运行，超出的线程，需要等线程池中有空闲线程时，才能有机会运行。
来看下面的代码：
这是另外一种线程池，它不需要指定容量，只要有需要，它就会创建新的线程。
它的使用方式和FixedThreadPool非常像，来看下面的代码：
在有些情况下，我们需要使用线程的返回值，在上述的所有代码中，线程这是执行了某些操作，没有任何返回值。
如何做到这一点呢？我们可以使用JDK中的Callable<T>和CompletionService<T>，前者返回单个线程的结果，后者返回一组线程的结果。
返回单个线程的结果
还是直接看代码吧：
这里需要使用CompletionService<T>，代码如下：
Thread.sleep(1000);
for(int i = 0; i < 10; i++)
{
Future<String> result = service.take();
System.out.println("线程的返回值是" + result.get());
}
exec.shutdown();
}
对于生产者-消费者模型来说，我们应该都不会陌生，通常我们都会使用某种数据结构来实现它。在concurrent工具包中，我们可以使用BlockingQueue来实现生产者-消费者模型，如下：
public static void main(String[] args)
{
blockingQueueTest();
}
private static void blockingQueueTest()
{
final BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
final int maxSleepTimeForSetter = 10;
final int maxSleepTimerForGetter = 10;
Runnable setter = new Runnable()
{
public void run()
{
Random r = new Random();
while(true)
{
int value = r.nextInt(100);
try
{
queue.put(new Integer(value));
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---向队列中插入值" + value);
Thread.sleep(r.nextInt(maxSleepTimeForSetter) * 1000);
}
catch(Exception ex)
{
ex.printStackTrace();
}
}
}
};
Runnable getter = new Runnable()
{
public void run()
{
Random r = new Random();
while(true)
{
try
{
if (queue.size() == 0)
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---队列为空");
}
else
{
int value = queue.take().intValue();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---从队列中获取值" + value);
}
Thread.sleep(r.nextInt(maxSleepTimerForGetter) * 1000);
}
catch(Exception ex)
{
ex.printStackTrace();
}
}
}
};
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(2);
exec.execute(setter);
exec.execute(getter);
}
}
可能的执行结果如下：
使用信号量来控制线程
JDK提供了Semaphore来实现“信号量”的功能，它提供了两个方法分别用于获取和释放信号量：acquire和release，示例代码如下：
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
Runnable runner = new Runnable()
{
public void run()
{
try
{
semp.acquire();
System.out.println(new Date() + " " + Thread.currentThread().getName() + "正在执行。");
Thread.sleep(5000);
semp.release();
}
catch(Exception ex)
{
ex.printStackTrace();
}
}
};
exec.execute(runner);
}
exec.shutdown();
}
在前面，我们已经提到，可以用synchronized关键字来控制单个线程中的执行步骤，那么如果我们想要对线程池中的所有线程的执行步骤进行控制的话，应该如何实现呢？
我们有两种方式，一种是使用CyclicBarrier，一种是使用CountDownLatch。
CyclicBarrier使用了类似于Object.wait的机制，它的构造函数中需要接收一个整型数字，用来说明它需要控制的线程数目，当在线程的run方法中调用它的await方法时，它会保证所有的线程都执行到这一步，才会继续执行后面的步骤。
示例代码如下：
public void run() {
Random r = new Random();
try
{
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
Thread.sleep(r.nextInt(10) * 1000);
System.out.println(new Date() + "--" + Thread.currentThread().getName() + "--第" + (i + 1) + "次等待。");
barrier.await();
}
}
catch(Exception ex)
{
ex.printStackTrace();
}
}
}
private static void cyclicBarrierTest()
{
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(3);
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
exec.execute(new MyRunner2(barrier));
}
exec.shutdown();
}
CountDownLatch则是采取类似”倒计时计数器”的机制来控制线程池中的线程，它有CountDown和Await两个方法。示例代码如下：