三道多线程练习题
接下来,我们来做三道题:
第一题:现有的程序代码模拟产生了16个日志对象,并且需要运行16秒才能打印完这些日志,请在程序中增加4个线程去调用parseLog()方法来分头打印这16个日志对象,程序只需要运行4秒即可打印完这些日志对象。
public class Test { public static void main(String[] args) { System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); /* * 模拟处理16行日志,下面的代码产生了16个日志对象,当前代码需要运行16秒才能打印完这些日志。 修改程序代码,开四个线程让这16个对象在4秒钟打完。 */ for (int i = 0; i < 16; i++) { // 这行代码不能改动 final String log = "" + (i + 1);// 这行代码不能改动 { Test.parseLog(log); } } } // parseLog方法内部的代码不能改动 public static void parseLog(String log) { System.out.println(log + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } |
分析:因为有两行代码不能动,那我们只能去修改Test.parseLog(log);这部分代码,现在这里是调用静态方法直接去打印日志,现在我们要改成交给4个线程去打印日志。那如果,我们不在Test.parseLog(log);的位置直接调用方法打印,而是直接new 4个线程来打印可以吗?想都不要想,不可以的,我如果在这个地方new 4个线程,它外层还有一个16次的循环,这个循环的代码是不让改的,如果在这个地方new 4个线程就变成了4*16个线程了。只能说,我在for循环的外面去new 4个线程,16个数据放到队列里面,让4个线程去队列里面抓数据。这4个线程肯定不可能放到for循环里面的。肯定是在这个for循环的外面去搞4个线程,而这个for循环外面有4个线程,循环里面要把数据交出去,它怎么把数据交给那四个线程呢?不是直接交过去,除非是间接的,我把数据放在这个框里面,线程呢等会儿自己到那个框里面去取。我无法直接传递到线程的手里。
下面是实现代码:
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.BlockingQueue; /** * 第一题:现有的程序代码模拟产生了16个日志对象,并且需要运行16秒才能打印完这些日志, * 请在程序中增加4个线程去调用parseLog()方法来分头打印这16个日志对象,程序只需要运行4秒即可打印完这些日志对象。 */ public class Test { public static void main(String[] args) { final BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(1);// 声明一个阻塞队列对象,用于在线程间传递数据,队列长度为1 for (int i = 0; i < 4; i++) {//循环创建4个线程 new Thread(new Runnable() { public void run() { while (true) { try { String log = queue.take();// 取出阻塞队列里面的数据,如果队列中没有数据,线程阻塞 parseLog(log);// 这个方法内部,线程休息1秒 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }).start(); } System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); /* * 模拟处理16行日志,下面的代码产生了16个日志对象,当前代码需要运行16秒才能打印完这些日志。 修改程序代码,开四个线程让这16个对象在4秒钟打完。 */ for (int i = 0; i < 16; i++) { // 这行代码不能改动 final String log = "" + (i + 1);// 这行代码不能改动 { try { queue.put(log);// 向阻塞队列里面放数据,如果队列已满,线程阻塞 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } // Test.parseLog(log); } } } // parseLog方法内部的代码不能改动 public static void parseLog(String log) { System.out.println(log + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } |
本题的关键点是:1,确定打印日志的4个线程的声明的位置。2,定义一个缓存区实现线程间的数据传递。
接下来,我们看第二道题:
第二题:现成程序中的Test类中的代码在不断地产生数据,然后交给TestDo.doSome()方法去处理,就好像生产者在不断地产生数据,消费者在不断消费数据。请将程序改造成有10个线程来消费生成者产生的数据,这些消费者都调用TestDo.doSome()方法去进行处理,故每个消费者都需要一秒才能处理完,程序应保证这些消费者线程依次有序地消费数据,只有上一个消费者消费完后,下一个消费者才能消费数据,下一个消费者是谁都可以,但要保证这些消费者线程拿到的数据是有顺序的。
public class Test { public static void main(String[] args) { System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); for (int i = 0; i < 10; i++) { // 这行不能改动 String input = i + ""; // 这行不能改动 String output = TestDo.doSome(input); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + output); } } } // 不能改动此TestDo类 class TestDo { public static String doSome(String input) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } String output = input + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000); return output; } } |
要做这道题,我们首先要准备10个线程,这里我们用for循环创建10个线程,然后我们要把String output = TestDo.doSome(input);这个代码放到10个线程里面运行,但这时我们遇到一个问题,如果我们把String output = TestDo.doSome(input);这个代码放到10个线程里面运行,那么这个input变量的值怎么传递到10个线程里面,它是一个循环体中的局部变量,作用范围只在循环体中。此时我们想到再main方法中定义一个阻塞队列SynchronousQueue,用于在线程间传递input变量的值。在生产线程里面向队列放数据,在消费线程里面从队列取数据。但是,这时,我们又遇到了一个问题,题目是要求我们一秒,一秒,依次有序地消费数据。可是我们这样做的效果就是一下子10个消费线程都来取数据,而根据SynchronousQueue队列的特性,它是一个交换队列,当有10个线程来取数而队列里面没有数据的时候,取数的线程就会阻塞,然后cpu就会运行生产线程向里面放数据,这时候生产线程就会循环10次,一下子生产线程和消费线程就完成了10个数据的传递,然后这10个线程几乎同时sleep1秒后,几乎同时醒来,然后就把这10个数据一下子就输出了。就没有达到题目中依次有序的消费数据的目的。为了解决这个问题,我们需要让10个消费线程1个1个依次有序的去取数,所以我们要声明一个信号灯对象,并之在构造方法中初始化一盏灯。也就是说同时只有一个线程能拿到等,能消费。当每个线程要去消费数据的时候,都要先获得灯。10个消费线程中肯定只有一个线程能获得灯,其它没获得灯的消费线程只能阻塞,等待,直到当前获得灯的线程消费完并释放了这盏灯,其它的消费线程再去竞争这盏灯。这就实现了了一个一个依次执行。
import java.util.concurrent.Semaphore; import java.util.concurrent.SynchronousQueue; public class Test { public static void main(String[] args) { final Semaphore semaphore = new Semaphore(1);//信号灯 final SynchronousQueue<String> queue = new SynchronousQueue<String>();//同步阻塞队列 for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(new Runnable() { public void run() { try { semaphore.acquire(); String input = queue.take(); String output = TestDo.doSome(input); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + output); semaphore.release(); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } }).start(); } System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); for (int i = 0; i < 10; i++) { // 这行不能改动 String input = i + ""; // 这行不能改动 try { queue.put(input); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } } } // 不能改动此TestDo类 class TestDo { public static String doSome(String input) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } String output = input + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000); return output; } } |
下面我们探讨一下新技术的威力:
一个病人患了一种病,用中科院最牛的医师医治都没治好,这时,美国一个博士发明了一个药,一下就可以治好。现在一小年轻,刚大学毕业就上班,那个患者来了,他说美国有新药,你试不试?那个患者一想,反正活不了多久,试吧。一试,好了!他说,真乃神医也!我以前找中科院的老院士都没看好。想说明一个什么问题呢?新技术的威力,我是没有你开发经验多,但是我知道这些新技术,现在遇到一个问题呢,我正好知道有一个新技术可以解决这个问题,你们不知道,你们还在那里苦思冥想,还迟迟拿不出方案,这样看来,新技术也不是说没有用,是不是?有时候能很好地解决问题。
接下来我们来看第三道题:
第三题:现有程序同时启动了4个线程去调用TestDo.doSome(key, value)方法,由于TestDo.doSome(key, value)方法内的代码是先暂停1秒,然后再输出以秒为单位的当前时间值,所以,会打印出4个相同的时间值,如下所示:
4:4:1258199615
1:1:1258199615
3:3:1258199615
1:2:1258199615
请修改代码,如果有几个线程调用TestDo.doSome(key, value)方法时,传递进去的key相等(equals比较为true),则这几个线程应互斥排队输出结果,即当有两个线程的key都是"1"时,它们中的一个要比另外其他线程晚1秒输出结果,如下所示:
4:4:1258199615
1:1:1258199615
3:3:1258199615
1:2:1258199616
总之,当每个线程中指定的key相等时,这些相等key的线程应每隔一秒依次输出时间值(要用互斥),如果key不同,则并行执行(相互之间不互斥)。
//不能改动此Test类 public class Test extends Thread { private TestDo testDo; private String key; private String value; public Test(String key, String key2, String value) { this.testDo = TestDo.getInstance(); /* * 常量"1"和"1"是同一个对象,下面这行代码就是要用"1"+""的方式产生新的对象, 以实现内容没有改变,仍然相等(都还为"1"),但对象却不再是同一个的效果 */ this.key = key + key2; this.value = value; } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Test a = new Test("1", "", "1"); Test b = new Test("1", "", "2"); Test c = new Test("3", "", "3"); Test d = new Test("4", "", "4"); System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); a.start(); b.start(); c.start(); d.start(); } public void run() { testDo.doSome(key, value); } } class TestDo { private TestDo() { } private static TestDo _instance = new TestDo(); public static TestDo getInstance() { return _instance; } public void doSome(Object key, String value) { // 以大括号内的是需要局部同步的代码,不能改动! { try { Thread.sleep(1000); System.out.println(key + ":" + value + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } |
分析:首先,我们想通过在doSome方法里面加上synchronized同步代码块,以参数key作为对象锁来实现如果key相同,就互斥。但是这里有一个前提相等的key要是同一个对象。两个key的值相等与两个key是否是同一个对象,这是两码事。因为key的实际对象类型是String类型的,如果我们对两个key传递的都是同一个字面常量的话,它们在常量池中的地址是同一个,也就是说,是同一个对象。但是,在各个代码里面,当我们创建Test对象的时候,Test的构造方法里面并不是直接把参数key的值赋给成员变量key,而是执行了一个变量的相加运算,然后再赋给了成员变量key, this.key = key + key2;,那么它此时等于是说,并不是直接把字面常量对象(即字符串值)的引用赋给了成员变量key,而是执行了一个变量相加的操作,这样就产生了中间对象,那么这个相加的表达式就得到了一个新的对象,然后赋值给了成员变量key。也就是说,如果两次传入的key和key2都是”1”和””,虽然它们运算的结果值是一样的,在常量词引用了同一个字面常量,但是这个表达式得到的并不直接是那个字面常量的引用,而是在堆中新创建了一个String对象,然后内部的值引用了同一个字面常量。类实于new String(“1”);,所以得到的不是同一个对象。既然不是同一个对象,就不是同一把锁,不是同一把锁就不能互斥。如果this.key = key + key2;这个表达式后面用的不是两个变量,而直接是两个字面常量会如何呢?比如String a = “1”+””;String b = “1”+””;这时候请问a和b是指向同一个对象吗?这时候就是指向同一个对象了。因为它们后面做的是两个已知的常量相加,编译器在编译的时候,直接就把代码优化成了String a = “1”; String b = “1”;,当编译成字节码的时候,这里就没有加法运算了。而this.key = key + key2;这个表达式,编译器没有办法优化,因为key和key2是两个变量,它们的值只有在程序在内存中运行的时候才会知道,而且是随着程序的运行可以变动的,编译器在编译的时候根本不知道它将来会是什么值。所以编译器无法优化。
那么,现在我们怎么来解决这个问题呢?这时候我们需要一个容器,我们创建一个ArrayList对象,这个对象用来存放每个线程调用doSome方法时传进来的key,每次线程调用doSome方法时,我们都现在方法里面判断容器中是否有包含值一样的key,如果没有,把这个key存进容器,如果包含,则取出容器中的那个值一样的key,把它赋给引用变量。这样就达到了,这两个值一样的参数就用同一个对象来表示,把这个引用变量作为synchronized关键字的对象锁,这样就做大了,key值不同的线程不互斥,key值相同的线程互斥的效果。
注意,这里我们再来讨论另一个问题,就是当我们使用集合的iterator迭代器迭代的时候,不可以一个线程在迭代,另一个线程同时又在调用集合的add方法,向集合中添加元素。否则会抛异常java.util.ConcurrentModificationException,这个异常是在执行迭代器的next()方法时抛出的。而且这个异常很难发现,它是偶尔才会抛异常,多数时候正常执行。这时我们的解决方案就是把ArrayList容器改为适合线程并发访问的CopyOnWriteArrayList容器。
import java.util.Iterator; import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList; //不能改动此Test类 public class Test extends Thread { private TestDo testDo; private String key; private String value; public Test(String key, String key2, String value) { this.testDo = TestDo.getInstance(); /* * 常量"1"和"1"是同一个对象,下面这行代码就是要用"1"+""的方式产生新的对象, 以实现内容没有改变,仍然相等(都还为"1"),但对象却不再是同一个的效果 */ this.key = key + key2; /* * a = "1"+""; b = "1"+"" */ this.value = value; } public void run() { testDo.doSome(key, value); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Test a = new Test("1", "", "1"); Test b = new Test("1", "", "2"); Test c = new Test("3", "", "3"); Test d = new Test("4", "", "4"); System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); a.start(); b.start(); c.start(); d.start(); } } class TestDo { private TestDo() { } private static TestDo _instance = new TestDo(); public static TestDo getInstance() { return _instance; } // private ArrayList keys = new ArrayList(); private CopyOnWriteArrayList keys = new CopyOnWriteArrayList(); public void doSome(Object key, String value) { Object o = key; if (!keys.contains(o)) { keys.add(o); } else { /* * 当在进行迭代的线程迭代还没有完成,另外一个线程又在执行keys.add(o);的时候,用ArrayList容器会抛出并发修改异常。 * 因为操作的容器对象是同一个,当执行keys * .add(o);时,容器的版本号发生了改变,++了,而keys.iterator();获得迭代器时,它的预期版本号是等于容器的版本号的。 * 而现在又没有去重新获取迭代器对象。现在迭代器对象去执行next方法时,会检查迭代器的预期版本号和容器的版本号是否相等,不想等就会抛出异常。 * 因为本身ArrayList容器的设计就是不支持一边迭代,一边修改容器的。所以我们改用了支持并发访问的CopyOnWriteArrayList容器 */ for (Iterator iter = keys.iterator(); iter.hasNext();) { Object oo = iter.next(); if (oo.equals(o)) { o = oo; break; } } } synchronized (o) // 以大括号内的是需要局部同步的代码,不能改动! { try { Thread.sleep(1000); System.out.println(key + ":" + value + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } |