JavaEE & 线程案例 & 定时器 & 线程池 and 工厂模式

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JavaEE & 线程案例 & 定时器 & 线程池 and 工厂模式

1. 定时器

• 定时器，可以理解为闹钟
  • 我们设立一个时间，时间一到，让一个线程跑起来~
• 而Java标准库提供了一个定时器类：
  • Timer ，from java.util

1.1 定时器Timer的使用

1.1.1 核心方法schedule

• 传入任务引用（TimerTask task）和 “定时”（long delay / ms）

• 由于TimerTask不是函数式接口，是普通的抽象类
  • 所以只能用匿名内部类，而不能用lambda表达式

• 写法

public static void main(String[] args) {
    Timer timer = new Timer();
    timer.schedule(new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println("好耶 ^ v ^");
            }
        }
    },1000);
    System.out.println("不好耶 T . T");
}

• TimerTask实现了Runnable

  • 不能传Runnable对象过去，这属于向下转型~

• 

  • 是Runnable的一个“封装”
  • 所以，重写run方法，合情合理~
  • 只不过不能用

• 而在Timer的schedule方法内部，则将这个线程保存起来，定时后执行~

• 而这，有一个细节，就是执行完后，程序并没有结束_{，进程并没退出}

原因是：

• Timer内置了一个前台线程
  • 阻止进程退出~
  • 这并不是重点，其实就是timer在等待被安排下一个任务~

1.1.2 定时器管理多个线程

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期一好耶 ^ v ^");
            }
        },1000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期二好耶 ^ v ^");
            }
        },2000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期三好耶 ^ v ^");
            }
        },3000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期四好耶 ^ v ^");
            }
        },4000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期五好耶 ^ v ^");
            }
        },5000);
        System.out.println("今天不好耶 T . T");
    }

}

• 那么就安排多个任务呗~

1.1.3 定时器的使用场景

• 应用场景特别多

  • 尤其是网络编程

• 而这个任务等待，不应该是无期限的

  • 超时：504 【gateway timeout】

• 定时器可以强制终止请求：浏览器内部都有一个定时器，发送请求后，定时器就开始定时；若在规定时间内，响应数据没有返回，就会强制终止请求
  

• 这个方法一般在任务的run方法中调用，确定是否及时

  • 这种特殊语法不是我们能理解的，并且目前我们不需要用到这个用法~

1.2 自己实现一个定时器

• 想法一，根据任务们的时间
  • 在添入的时候，就让他们启动并以对应的时间"睡下"
    • 有点像睡眠排序法这个消遣的笑话~
  • 显然这个方法是不科学的，线程到达一个量级，进程必然装不下
  • 系统必然卡死崩掉
• 想法二，根据时间，到了时间自动启动~
  • 将任务们按照时间长短排序
  • 每次只看最早启动的任务就好
    • 当然，等待时间是同步的~
    • 每个任务都有在等
  • 启动，再去看接下来的任务~
    • 如果两个任务同时启动，顺序则不能确定~

是不是触动你的DNA了？

• 没错，搞一个堆就好了
  • 每次可见堆顶元素~
  • 而小根堆堆顶正是我们这里的最早启动的任务~
  • 旧堆顶取走后，新堆顶又是剩余的最早启动的任务~
• 而定时器的核心数据结构就是：优先级队列 ===> 堆
  • 而定时器可能被多线程使用，所以线程安全问题也要被保证
  • 队列为空，队列为“满”的时候，对操作也要有限制（不应该有无限个任务）
  • 这就需要我们的阻塞队列~

即，定时器底层就是一个阻塞优先级队列! ===> PriorityBlockingQueue

• 对于PriorityBlockingQueue，我这里并不会去模拟~

1.2.1 属性

class MyTask {
    public Runnable runnable;
    public long time;
}
public class MyTimer {
    private PriorityBlockingQueue<MyTask> tasks = new PriorityBlockingQueue<>();
    
}

阻塞优先级队列中的元素应该有如下两个信息：

• MyTask

1. 执行什么任务~
2. 任务什么时候执行~

1.2.2 建立一个MyTask对象

1. runnable就是一个任务~
2. time是绝对时间，而不是定时时间
   • 是”启动时间“的具体时间
   • 到达这个时间，任务才能运行~
   • 为1970.01.01那一天的00:00:00到构建对象时的此时此刻的毫秒数~

• 获取当前时间方法：System.currentTimeMillis()

class MyTask {
    public Runnable runnable;
    public long time;
    //绝对时间戳~
    //方便判断~
    //这个不是定时时间

    public MyTask(Runnable runnable, long delay) {
        this.runnable = runnable;
        this.time = delay + System.currentTimeMillis();
    }
}

1.2.3 schedule方法

public void schedule(Runnable runnable, long delay) {
    MyTask myTask = new MyTask(runnable, delay);
    tasks.put(myTask);
}

• 构造一个myTask对象插入到队列中~

1.2.4 构造方法初步设计

public MyTimer() {
        Thread t = new Thread(() -> {
            try {
                MyTask myTask = tasks.take();
                long nowTime = System.currentTimeMillis();
                if(myTask.time <= nowTime) {
                    //启动
                }else {
                    //不能启动
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
}

• 定时器被构造出来后，应该就已经启动“母线程”
  • 就应该尝试【take】了
  • 只不过队列为空，要阻塞等待~
• 之后通过schedule安排任务~【put】

• 启动：
  • 调用run方法
• 不能启动：
  • 将任务返回队列

1.2.5 构造方法最终设计

• 在构造方法初步设计有两个很严重的BUG
  • 可以停止观看去想一想~

1. 优先级对于自定义类，需要我们给“比较规则”，“优先级规则”
2. “没有等待”以及“盲目等待”

对于1. 比较规则：

• 只需要让MyTask实现比较接口

• 当然也可以传比较器~（lambda表达式）

• 两种方式都OK~

• 左减右大于0

  • 如果代表此对象大于该对象_{代表升序排列} ===> 小根堆

  • 如果代表此对象小于该对象_{代表降序排列} ===> 大根堆

对于2. “没有等待”以及“盲目等待”

• 上述代码只会判断一次~
  • 应该套上一个循环~

• wait等待，唤醒起来比较方便安全

  • sleep不是一个很好的选择~
  • 因为新任务的插入，要进行唤醒
  • 超过限定时间，自动醒来
    • wait需要有锁，这里我把循环体整个框起来了
    • 我用的是“同步锁”

• “盲目等待” 代表，这里放回去后，计算器又会判断是否可启动

  • 这样就会导致一段时间内，这个任务反复被拿来拿去无数次~
  • 相当于，上课时看表，一秒看一次，忙等
  • 而计算机，1ms就可以看很多很多次~

• 那么我们只需要在schedule时唤醒一下，让他才判断一次就行了~

  • 这防止新插入的任务更早而被忽略

• 大大减少判断次数！

• 最终版：

public void schedule(Runnable runnable, long delay) {
    MyTask myTask = new MyTask(runnable, delay);
    tasks.put(myTask);
    synchronized (locker) {
        locker.notify();
    }
}

private Object locker = new Object();

public MyTimer() {
    Thread t = new Thread(() -> {
        while(true) {
            synchronized (locker) {
                try {
                    MyTask myTask = tasks.take();
                    long nowTime = System.currentTimeMillis();
                    if(myTask.time <= nowTime) {
                        myTask.runnable.run();
                    }else {
                        tasks.put(myTask);
                        locker.wait(myTask.time - nowTime);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    });
    t.start();
}

• 别忘了启动线程~

1.3 测试MyTimer

• 用MyTimer替换之前的Timer

• TimeTask也可替换为Runnable，不过没关系，向上转型~

public static void main(String[] args) {
    MyTimer timer = new MyTimer();
    timer.schedule(new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("星期一好耶 ^ v ^");
        }
    },1000);
    timer.schedule(new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("星期二好耶 ^ v ^");
        }
    },2000);
    timer.schedule(new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("星期三好耶 ^ v ^");
        }
    },3000);
    timer.schedule(new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("星期四好耶 ^ v ^");
        }
    },4000);
    timer.schedule(new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("星期五好耶 ^ v ^");
        }
    },5000);
    System.out.println("今天不好耶 T . T");
}

• 测试结果正常：

• 退出代码130，是按ctrl + f2

1.4 补充

• 你可能也发现了，代码之中并没有完全保证，一个线程一定会在规定的时间后执行
• 因为一个定时器，只能运行一个线程，没有并发性
  • 只是和main线程并发~
  • 所以，如果一个线程运行时间较长，会导致其后的任务“被迫延时”
  • 而判断条件不是等于等于，也有这一方面原因
    • 另一方面原因是，可能因为调度问题有误差~

• 此时这个定时器，就只能起到，保证任务执行顺序的功能~

1.4.1 例子1

• 例如以下测试代码：

 public static void main(String[] args) {
        MyTimer timer = new MyTimer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期一好耶 ^ v ^");
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                    System.out.println("已过去五秒");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },1000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期二好耶 ^ v ^");
            }
        },2000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期三好耶 ^ v ^");
            }
        },3000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期四好耶 ^ v ^");
            }
        },4000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("星期五好耶 ^ v ^");
            }
        },5000);
        System.out.println("今天不好耶 T . T");
    }
}

• 第一个任务要花5秒，而还差1秒，第二个任务就应该启动~
• 而现象是这样的：

• 后面的任务已经受严重延迟~

1.4.2 例子2

• 如果一个任务死循环了，会导致后面的任务无限延期

• 就会导致下面这种情况：

注意：

• 这并不是我写的定时器有问题 ，Java标准库的定时器，就是这样子的， 一个定时器一个时间段里只能执行一个任务
  • 现象跟MyTimer是一样的
  • 就是这两个例子那样
• 一个任务时间太长，会导致下一个任务延迟
• 只起“区分先后”的作用

1.5 顺带一题

问：wait的同步锁的位置不同，结果会怎么样？

• 例如：

• 这两种锁的框法不同，结果一样吗？

1.5.1 后者

• 重点就在于，没有保证take与wait是原子的~

1.5.2 前者

• 保证原子性后：

2. 线程池

• 跟字符串常量池和数据库连接池一样
  • 这个池的作用就提高效率，节省开销~
  • 即使线程很轻量，但是积少成多就不能忽略~
• 只要再池子里去拿，就要比从系统申请要快~

提高效率还能提高轻量化线程“协程”，Java标准库还不支持

而线程池是一个重要的途径~

• 从线程池里拿线程，纯纯的用户态操作
• 而从系统上申请，就必须设计用户态和内核态之间的切换
  • 真正的创建线程，是在内核态完成的

2.1 用户态和内核态

• 操作系统 = 内核 + 配套的应用程序
  • 内核：各种系统管理和驱动，而内核就是为了支持应用程序的
  • 这里不仅仅指核心~
    • 因为进程管理这是他的工作之一
    • 逻辑核心们也只是他的打工人~

• 需要内核支持，才能运行的应用程序~

  • 例如，println，打印到屏幕，需要通过硬件管理~

• 即，内核给那么多人服务，那么就不一定及时

举个栗子：

• 去银行打印资料，前台可以帮你打印
  • 而前台在同时会去帮助其他人，给你打印好了还要好一会儿才给你~

• 你也可以去自助打印机打印
  • 这样的时间消耗就只会缩短在 “打印需求” 内去消耗

• 也就是说，我们在申请线程时

  • 内核态申请 ==> 内核要顾及进程管理和其他管理与驱动~

  • 

  • 用户态去拿 ==> 只需要在进程管理这个单项里去拿线程~

  • 

• 当然，线程的诞生，还是要内核态申请

  • 放进线程池，之后在线程池里用户态拿就好~

2.2 标准库线程池类ExecutorService

• Java标准库实现了一个接口，ExecutorService，在进程中服务线程执行~

  • 通过这个池的服务，不需要每次都申请~

• 但是这个接口不是通过new子类对象去实例化的，而是用一个静态方法去实例化~

• 而这里的Executors类就是“工厂类”
  • 这个类就是为了构造“线程池”而存在的
  • 这个类可以调用各种静态方法
    • 而这些静态方法使用起来简单
    • 并且可以构造各种满足我们特殊需要的对象

2.3 工厂模式

• “工厂”

  • 即“对象工厂”，可以工厂生产出不同的对象
  • 有员工去帮你生产，使用简单
    • 降低使用成本
  • 相同原料可以有不同产品，避免参数列表相同导致无法触发重载
    • 重要作用！

• 而工厂模式其实就是，把一个类/接口的构造方法，交给一个“工厂类”去定义

  • 即，将构造方法打包成类

Executors工厂：

• 重点掌握

你也可以自己“开个厂”

• 就比如说，一个【堆】，泛型类是我们的自定义类
• 而我们的自定义类要我们去规定比较方法

public class A {
    int a1;
    int a2;
    int a3;
    int a4;
    int a5;
    int a6;
}

• 假设我们A类有六个成员（都是int类型）
  • 要求建立6个堆，每个堆以不同的比较规则去创建
    • 每次创建都好麻烦，都要写个比较器~
• 只需要“开个比较器厂”，把这些构造方法包装起来就好~
  • 以后构造的时候，通过不同的方法名调用对应的构造方法~
  • 比较器Comparator
    • 构造方法基本都没有参数列表的，那么就不能用重载去解决~
      • 比较器的不同主要不是因为构造方法，而是compare被怎么重写有关~
    • compare方法重写也只能重写一个

2.3.1 开[A的构造厂]

    public static A createA1(int a) {
        //匿名内部类优先捕获全局性质变量，这里在代码块内，a1就为全局性变量~
        return new A() {
            {
                this.a1 = a;
            }
        };
    }
    public static A createA2(int a) {
        return new A() {
            {
                this.a2 = a;
            }
        };
    }
    public static A createA3(int a) {
        return new A() {
            {
                this.a3 = a;
            }
        };
    }
    public static A createA4(int a) {
        return new A() {
            {
                this.a4 = a;
            }
        };
    }
    public static A createA5(int a) {
        return new A() {
            {
                this.a5 = a;
            }
        };
    }
    public static A createA6(int a) {
        return new A() {
            {
                this.a6 = a;
            }
        };
    }
}

2.3.2 开[A的比较器厂]

class CreateComparatorA {
    public static Comparator<A> createA1() {
        return ((o1, o2) -> {
           return o1.a1 - o2.a1;
        });
    }
    public static Comparator<A> createA2() {
        return ((o1, o2) -> {
           return o1.a2 - o2.a2;
        });
    }
    public static Comparator<A> createA3() {
        return ((o1, o2) -> {
           return o1.a3 - o2.a3;
        });
    }
    public static Comparator<A> createA4() {
        return ((o1, o2) -> {
           return o1.a4 - o2.a4;
        });
    }
    public static Comparator<A> createA5() {
        return ((o1, o2) -> {
           return o1.a5 - o2.a5;
        });
    }
    public static Comparator<A> createA6() {
        return ((o1, o2) -> {
           return o1.a6 - o2.a6;
        });
    }
}

2.3.3 测试

public class A {
    int a1;
    int a2;
    int a3;
    int a4;
    int a5;
    int a6;
    //参数列表相同无法特定构造特定成员~

    @Override
    public String toString() {
        return "A{" +
                "a1=" + a1 +
                ", a2=" + a2 +
                ", a3=" + a3 +
                ", a4=" + a4 +
                ", a5=" + a5 +
                ", a6=" + a6 +
                '}' + '\n';
    }

    public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<A> queue1 = new PriorityQueue<>(CreateComparatorA.createA1());
        PriorityQueue<A> queue2 = new PriorityQueue<>(CreateComparatorA.createA2());
        PriorityQueue<A> queue3 = new PriorityQueue<>(CreateComparatorA.createA3());
        PriorityQueue<A> queue4 = new PriorityQueue<>(CreateComparatorA.createA4());
        PriorityQueue<A> queue5 = new PriorityQueue<>(CreateComparatorA.createA5());
        PriorityQueue<A> queue6 = new PriorityQueue<>(CreateComparatorA.createA6());

        queue1.offer(createA.createA1(2));
        queue1.offer(createA.createA1(1));
        queue1.offer(createA.createA1(4));
        queue1.offer(createA.createA1(3));
        queue1.offer(createA.createA1(5));

        System.out.println(queue1);

    }
}

• 结果：
  • 确实以a1为标准~

当然，工厂当然不只可以生产构造方法：

• 还能生产那些我们需要的：重复参数列表的方法
• 例如生产A的toString()方法~
• 不额外说了~

2.4 ExecutorService的属性和方法

2.4.1 通过工厂类构造

• 不给固定容量，按需创建线程池~

• 跟定时器有关~

最重点的一个：

• 提供固定容量的线程池构造方法~

2.4.2 submit方法

• 提交线程~

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
    pool.submit(() -> {
        System.out.println("好耶 ^ v ^ ");
    });
}

2.4.3 ThreadPoolExecutor类的属性

• 既然是构造ThreadPoolExecutor
• 那么它的属性就至关重要~

下面是Java的官方文档的内容：

• 这个类在【util应用应用工具】的【concurrent并发包】中~
  • 简称【JUC】

• 通过这个构造方法让我们看到很多属性~
  • 我也只讲解这几个属性~
  • 也不讲这个方法咋实现的

1. corePoolSize 和 maximumPoolSize

• corePoolSize为核心线程数
• maximumPoolSize为最大线程数
  • 核心线程，即不能随意停止的线程
  • 最大线程数里【包含核心线程和“临时线程”】
    • 这个“临时线程”就相当于公司里的实习生
      • 关键时期来应急
    • 这个核心线程就相当于正式员工
      • 不能随意辞退

线程池会在任务少的空闲期，根据这些参数进行线程调整，把一些临时线程给销毁了~

2. keepAliveTime(long) 和 unit(TimeUnit)

• keepAliveTime 为临时线程存活时间~

  • “实习生”并不是立即被辞退
  • 而是跟这个参数有关
  • 允许最多活多久~

• unit ==> 时间单位

3. BlockingQueue< Runnable > workQueue

• 线程池要管理很多任务
• 通过阻塞队列来组织~
  • 方便程序员控制线程数据交互
  • submit提交到这个阻塞队列里~

4. ThreadFactory threadFactory

• 线程工厂 ，跟工厂模式有关~
• 不细讲

5. RejectedExecutionHandler handler

• 线程池的拒绝执行应对策略~
• 池子满了，继续往里添加线程，如何应对？如何拒绝？
  • 线程池满了是不依赖阻塞队列的
    • 这个任务要不要干最好立马给出决策！
  • 一般是空了依赖阻塞队列~
  • 还有阻塞队列的线程安全性和解耦合性也很好

2.4.4 线程池的拒绝策略

1. 直接抛异常 ---- 毁灭
   • 哇哇大哭
2. 直接拒绝 ---- 谁给我这个线程任务，谁自己去完成
   • 达咩达咩
3. 抛弃最老任务 ---- 把最先安排的任务 [队列头] 给删了，替换成新任务
   • 做出牺牲
4. 抛弃最新任务 ---- 我继续干原来的活，新的活谁都没干
   • 原封不动

2.5 模拟实现线程池

public class MyThreadPool {
    private BlockingQueue<Runnable> pool = new LinkedBlockingQueue<>();

    public void submit(Runnable runnable) throws InterruptedException {
        pool.put(runnable);
    }

    //实现固定线程数的线程池
    //不是容量，是确确实实的线程数
    
    public MyThreadPool(int number) {
        for (int i = 0; i < number; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                Runnable runnable = null;
                try {
                    while(true) {
                    	runnable = pool.take();
                    	runnable.run();  
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }
}

• 我们的简单实现，不涉及2.4.3的属性~

• 注意：这里的线程数，是工作人数，定量

  • 而阻塞队列里的线程数，则是这些人做的”任务“

• 测试：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    MyThreadPool myThreadPool = new MyThreadPool(10);
    for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
        int id = i; //线程id，变量捕获~
        myThreadPool.submit(() -> {
            System.out.println("好耶^ v ^ " + id);
        });
    }

• 提供固定的工作人员 * 10
• 源源不断塞1000个任务~
• 工作人员疯抢~

——

• 数据顺序无序很正常
  • 线程调度无序嘛~
• 程序还未结束
  • 这是因为十个工作人员“吸血鬼”还等着任务呢~

线程池中如何体现，“用户态拿”：

1. 线程池中有固定数量的线程，而这些线程是一开始一次性申请的
2. 之后我们无需为了一个或者多个任务再去额外申请一个Thread对象了
3. 只需要提交任务给线程池，让线程池里的“空线程”去帮我们干事
4. 反复用这些空线程去做任务~
   • 只需要提交就行，不需要从线程池里取线程
   • 我们可能没有拿线程这个操作~
   • 但是这样就相当于我们拿了线程做了任务~
     • 只不过这个任务几乎全自动地被线程池帮忙在一个线程里执行了
     • 而原本执行一个任务就要我们需要自己申请个新的Thread对象
       

注意：

• 线程 不等于 任务
• 任务必须依托线程才能执行
  ——

2.6 线程池的固定线程数的确定（理论）

• 至于线程池固定线程数，设置为多少合适？

  • 最好最科学的方式就是去测试！

• cpu密集型，主要做一些计算工作，要在cpu上运行~

• IO密集型，主要等待一些IO操作（读写硬盘/读写网卡），不怎么吃cpu

  • 如果你的线程全是使用cpu的，那就得设置线程数少于核心数~
  • 如果全是使用IO的，那就可以设置很多很多线程，远超核心数

• 而实际情况不会这么极端，所以这个线程数一定是要看实际情况的

  • 所以就要测试！
  • 通过一些数据去看看哪个固定线程数是OK的
    • 例如执行时间…检测资源使用状态~
    • 控制变量法~

文章到此结束！谢谢观看 ！
可以叫我 小马，我可能写的不好或者有错误，但是一起加油鸭🦆！

多线程初阶已经结束~ 后续会出线程进阶的博客！

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