java多线程基础——定时器与线程池_java 定时线程池

目录

1.定时器

2.线程池

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1.定时器

1.1 概念

定时器是软件开发中的一个重要组件. 类似于一个 "闹钟". 达到一个设定的时间之后, 就执行某个指定 好的代码。

定时器是一种实际开发中非常常用的组件

比如网络通信中, 如果对方 500ms 内没有返回数据, 则断开连接尝试重连.

比如一个 Map, 希望里面的某个 key 在 3s 之后过期(自动删除).

类似于这样的场景就需要用到定时器.

在Java标准库中也提供了一个Timer类，核心方法为 schedule 。schedu方法可以理解为为定时器分配任务。schedule 包含两个参数. 第一个参数指定即将要执行的任务代码, 第二个参数指定多长时间之后 执行 (单位为毫秒).。我们下面简单看一下他的用法：

Timer timer = new Timer();
timer.schedule(new TimerTask() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("hello");
   }
}, 3000);

TimeTask实际上是实现了Runnable接口的一个类，所以要重写run方法。 

1.2 Timer和sleep的区别

大家看到Timer能够在指定的一段时间后执行某个任务，很自然会想到Thread.sleep。虽然sleep方法的确也能在一段时间后再去执行某个任务，但是在sleep期间线程处于阻塞状态，其他任务也无法进行，而Timer等待期间线程可以完成其他工作，提高cpu利用率。

1.3 手动实现一个简单的Timer 

首先我们明确一下设计思路

首先定时器内是可以加入多个任务等待执行的，所以我们需要一个容器储存，既然我们需要按照时间顺序来执行任务我们很自然会想到PriorityQueue（优先级队列）这个东西，但是我们是处于多线程的状态，还需考虑线程安全问题，结合我们上次讲的BlockingQueue（阻塞队列），其实我们java内是自带了PriorityBlockingQueue（优先级阻塞队列）供我们使用。

其次我们的每个任务是需要通过一定的方式来描述出来，这里我们自定义一个类来描述。

同时我们需要一个线程，通过这个线程来扫描定时器内部任务，执行其中时间到了的任务。这里我们在构造方法里面来实现。实现Timer类一被创建就能够即使扫描将要执行的任务。 

当然由于多线程的线程安全问题，我们还需要使用synchronized将一些关键操作锁住，我们下面结合代码再分析一下。

import java.util.Timer;
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
 
class MyTask implements Comparable<MyTask>{
    //任务要干什么
    private Runnable command;
    //等待时长
    private long time;
 
    public MyTask(Runnable command,long after){
        this.command=command;
        this.time=System.currentTimeMillis()+after;
    }
 
    public void run(){
        command.run();
    }
 
    public long getTime(){
        return time;
    }
 
    @Override
    public int compareTo(MyTask o) {
        //时间小的在前面
        return (int)(this.time-o.time);
    }
}
 
class MyTimer {
    private Object locker=new Object();
 
    private PriorityBlockingQueue<MyTask> queue=new PriorityBlockingQueue<>();
 
    public void schedule(Runnable command,long after){
        MyTask myTask=new MyTask(command,after);
        synchronized (locker) {
            queue.put(myTask);
            locker.notify();
        }
    }
 
    public MyTimer(){
        Thread t=new Thread(()->{
            while(true){//不断扫描
                try{
                    synchronized (locker) {
                        //队列为空则wait
                       if(queue.isEmpty()){
                           locker.wait();
                       }
                        MyTask myTask = queue.take();
                        long curTime = System.currentTimeMillis();
                        if (myTask.getTime() > curTime) {
                            // 时间还没到, 塞回到队列中
                            queue.put(myTask);
                            locker.wait(myTask.getTime()-curTime);
                        } else {
                            // 时间到了~~, 直接执行任务
                            myTask.run();
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        t.start();
    }
}
 
public class MyTimerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyTimer myTimer=new MyTimer();
        myTimer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("test");
            }
        },3000);
    }
}

首先我们需要注意的是，由于PriorityBlockingQueue涉及到比较操作，所以我们需要在MyTask类内部实现Comparable接口。

之后我们需要对入队和出队等一系列操作加锁，否则可能会出现下面的情况：

假设现在9点，我们有一个任务需要在10点执行，此时我们的线程准备进入等待1h状态，但是此时突然有一个9点30需要执行的任务插入，执行notify操作，但由于操作没有加锁，可能导致notify比wait早一点执行导致实际上并没有唤醒线程。

最后，为什么队列为空时需要进行wait操作？

当刚创建队列还未添加任务时，此时队列为空，假如不进行等待操作，此时就会直接进入加锁操作，开始执行take，由于队列为空进入阻塞状态，且并没有释放锁。此时就会来到schedule方法准备执行put方法，但是在进行加锁操作时发现锁已经被占用，而另一边也因为队列为空一直处于阻塞状态无法释放锁，就形成了死锁。

2.线程池 

2.1 概念

之前我们学习过字符串常量池，它的存在是为了减少系统资源的开销。而线程池同样如此，虽然创建线程 / 销毁线程的开销已经比较小了，但是在面对非常多线程的情况下计算机资源还是略显捉急，所以就有了线程池。线程池最大的好处就是减少每次启动、销毁线程的损耗。

那为啥把线程放进池子就比从系统这里创建线程要来的快呢？

实际上，从池子里去涉及的是纯用户态操作

而通过系统来创建，设计内核态操作

通常我们认为，牵扯到内核态的操作要比纯用户态更加低效 

2.2 标准库中的线程池 

使用 Executors.newFixedThreadPool(10) 能创建出固定包含 10 个线程的线程池.

返回值类型为 ExecutorService

通过 ExecutorService.submit 可以注册一个任务到线程池中.

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
pool.submit(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("hello");
   }
});

 Executors 创建线程池的几种方式：

1.newFixedThreadPool: 创建固定线程数的线程池

2.newCachedThreadPool: 创建线程数目动态增长的线程池.

3.newSingleThreadExecutor: 创建只包含单个线程的线程池.

4.newScheduledThreadPool: 设定 延迟时间后执行命令，或者定期执行命令. 是进阶版的 Timer.

2.3 工厂模式 

不知道大家有没有注意到我们ExecutorService的初始化方式好像和之前的其他类不太一样，是使用Executors来初始化的，而不是原本的构造方法。Executors 本质上是 ThreadPoolExecutor 类的封装。这种在原本的构造方法外进行包装作用的方法就叫做工厂方法，这种模式也被称作工厂模式。而工厂模式的意义实际上是为了突破一些构造方法的限制。比如下面的例子。

假如我们想用笛卡尔坐标系和极坐标系两种方式来表示一个点，可能会写出这样的代码

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

我们想要重载构造方法，但是由于参数都是一样的，并且构造方法要求同名，所以很明显上面的方法会编译错误。

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

但是我们可以把它们包装成一个静态方法，这样就可以通过类名调用。

2.4 简单实现一个线程池 

这里我们只是为了帮助大家理解线程池概念，所以自己动手实现一个非常简单的线程池，实际使用我们还是使用java库自带的。

由于插入的任务一下子可能很多，所以我们采用阻塞队列存储

 
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
 
class MyThreadPool{
    private BlockingQueue<Runnable> queue=new LinkedBlockingQueue<>();
    // 核心方法, 往线程池里插入任务
    public void submit(Runnable runnable){
        try {
            queue.put(runnable);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    // 设定线程池里有几个线程
    public MyThreadPool(int n){
        for(int i=0;i<n;i++){
            Thread t=new Thread(()->{
                while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){
                    try {
                        Runnable runnable=queue.take();//获取任务
                        runnable.run();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                        break;
                    }
                }
            });
            t.start();
        }
    }
}
 
public class MyThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThreadPool myThreadPool = new MyThreadPool(10);//初始化时所有线程处于WAITING
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            myThreadPool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("hello");
                }
            });
        }
    }
}