【编写高质量代码：改善Java程序的151个建议】第9章:多线程和并发___建议118~124

最新推荐文章于 2021-07-07 21:12:38 发布

哪吒

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多线程技术可以更好地利用系统资源，减少用户的响应时间，提高系统的性能和效率，但同时也增加了系统的复杂性和运维难度，特别是在高并发、大压力、高可靠性的项目中。线程资源的同步、抢占、互斥都需要谨慎考虑，以避免产生性能损耗和线程死锁。

建议118：不推荐覆写start方法

建议119：启动线程前stop方法是不可靠的

建议120：不使用stop方法停止线程

1、stop方法是过时的：从Java编码规则来说，已经过时的方法不建议采用，弃了。

2、stop方法会导致代码逻辑不完整：stop方法是一种“恶意”的中断，一旦执行stop方法，即终止当前正在运行的线程，不管线程逻辑是否完整，这是非常危险的。

3、stop方法破坏原子逻辑

多线程为了解决共享资源抢占的问题，使用了锁概念，避免资源不同步，但是正因为如此，stop带了更大了麻烦，它会丢弃所有的锁，导致原子逻辑受损。

如何关闭线程呢？

if (!thread.isInterrupted()) {
    thread.interrupt();
}

如果使用的是线程池，可以通过shutdown方法逐步关闭池中的线程。

建议121：线程优先级只使用三个等级

线程的优先级（Priority）决定了线程获取CPU运行的机会，优先级越高获取的运行机会越大，优先级月底获取的机会越小。

package OSChina.Multithread;

public class TestThread implements Runnable {
    public void start(int _priority) {
        Thread t = new Thread(this);
        // 设置优先级别
        t.setPriority(_priority);
        t.start();
    }
    @Override
    public void run() {
        // 消耗CPU的计算
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            Math.hypot(924526789, Math.cos(i));
        }
        // 输出线程优先级
        System.out.println("Priority：" + Thread.currentThread().getPriority());
    }

    public static void main(String[] args) {
        //启动20个不同优先级的线程
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new TestThread().start(i % 10 + 1);
        }
    }
}

创建了20个线程，优先级设置的不同，执行起来是这样的，5和6反了。

1、并不是严格按照线程优先级来执行的

因为优先级只是表示线程获取CPU运行的机会，并不是代码强制的排序号。

2、优先级差别越大，运行机会差别越明显

Java的缔造者们也觉察到了线程优先问题，于是Thread类中设置了三个优先级，此意就是告诉开发者，建议使用优先级常量，而不是1到10的随机数字。常量代码如下：

public class Thread implements Runnable {
    public final static int MIN_PRIORITY = 1;
    public final static int NORM_PRIORITY = 5;
    public final static int MAX_PRIORITY = 10;
}

开发时只使用此三类优先级就可以了。

建议122：使用线程异常处理器提升系统可靠性

编写一个socket应用，监听指定端口，实现数据包的接收和发送逻辑，这在早起系统间进行数据交互是经常使用的，这类接口通常考虑两个问题：一个是避免线程阻塞，保证接收的数据尽快处理；二是接口的稳定性和可靠性，数据包很复杂，接口服务的系统也很多，一旦守候线程出现异常就会导致socket停止，这是非常危险的，那我们有什么办法避免呢？

Java1.5版本以后在thread类中增加了setUncaughtExceptionHandler方法，实现了线程异常的捕捉和处理。

代码实例：

package OSChina.Multithread;

public class TcpServer implements Runnable {
    public TcpServer() {
        Thread t = new Thread(this);
        t.setUncaughtExceptionHandler(new TcpServerExceptionHandler());
        t.start();
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            try{
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("系统正常运行："+i);
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        throw new RuntimeException();
    }

    private static class TcpServerExceptionHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler{
        @Override
        public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
            System.out.println("线程"+t.getName()+" 出现异常，自行重启，请分析原因。");
            e.printStackTrace();
            new TcpServer();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TcpServer tcpServer = new TcpServer();
    }
}

这段代码的逻辑比较简单，在TcpServer类创建时启动一个线程，提供TCP服务，例如接收和发送文件，具体逻辑在run方法中实现。同时，设置了该线程出现运行期异常时，由TcpServerExceptionHandler异常处理器来处理异常。那么TcpServerExceptionHandler做什么呢？两件事：

1、记录异常信息，以便查找问题

2、重新启动一个新线程，提供不间断的服务

有了这两点，TcpServer就可以稳定的运行了，即使出现异常也能自动重启，客户代码比较简单，只需要new TcpServer()即可，运行结果如下：

从运行结果可以看出，当Thread-0出现异常时，系统自动重启了Thread-1线程，继续提供服务，大大提高了系统的性能。

这段代码只是一个示例程序，若要在实际环境中应用，则需要注意以下三个方面：

1、共享资源锁定：如果线程产生异常的原因是资源被锁定，自动重启应用会增加系统的负担，无法提供不间断服务。例如一个即时通信服务出现信息不能写入的情况，即时再怎么重启服务，也无法解决问题。在此情况下最好的办法是停止所有的线程，释放资源。

2、脏数据引起系统逻辑混乱：异常的产生中断了正在执行的业务逻辑，特别是如果正在处理一个原子操作，但如果此时抛出了运行期异常就有可能会破坏正常的业务逻辑，例如出现用户认证通过了，但签到不成功的情况，在这种情况下重启应用程序，虽然可以提供服务，但对部分用户产生了逻辑异常。

3、内存溢出：线程异常了，但由该线程创建的对象并不会马上回收，如果再重新启动新线程，再创建一批对象，特别是加入了场景接管，就非常危险了，例如即时通信服务，重新启动一个新线程必须保证原在线用户的透明性，即用户不会察觉服务重启，在这种情况下，就需要在线程初始化时加载大量对象以保证用户的状态信息，但是如果线程反复重启，很可能会引起OutOfMemory内存泄漏问题。

建议123：volatile不能保证数据同步

volatile关键字比较少用，原因无外乎两点，一是在Java1.5之前该关键字在不同的操作系统上有不同的表现，所带来的问题就是移植性较差；而且比较难设计，误用较多，这也导致它的“名誉”受损。

我们知道，每个线程都运行在栈内存中，每个线程都有自己的工作内存（Working Memory，比如寄存器Register、高速缓存存储器Cache等），线程的计算一般是通过工作内存进行交互的，其示意图如下图所示：

从示意图中我们可以看到，线程在初始化时从主内存中加载需要的变量值到工作内存中，然后在线程运行时，如果是读取，直接从工作内存中读取，如果是写入，则先写入工作内存中，之后刷新到主内存中，这是JVM的一个简单的内存模型，但是这样的结构在多线程的情况下有可能会出现问题，比如：A线程修改变量的值，也刷新到了主内存，但B、C线程在此时间内读取的还是本线程的工作内存，也就是说它们读取的不是最新的值，此时就会出现不同线程持有的公共资源不同步的情况。

对于此问题有很多解决的办法，比如使用synchronized同步代码块，或者使用Lock锁来解决该问题，不过，Java可以使用volatile更简单的解决此类问题，比如在一个变量前加上volatile关键字，可以确保每个线程对本地变量的访问和修改都是直接与内存交互的，而不是与本线程的工作内存交互的，保证每个线程都能获取到最新的变量值，其示意图如下：

明白了volatile变量的原理，那我们来思考一下：volatile变量是否能够保证数据的同步性呢？两个线程同时修改volatile变量是否会产生脏数据呢？代码如下：

package OSChina.Multithread;

public class UnsafeThread implements Runnable {
    //共享资源
    private volatile int count = 0;
    @Override
    public void run() {
        // 增加CPU的繁忙程度,不必关心其逻辑含义
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Math.hypot(Math.pow(92456789,i),Math.cos(i));
        }
        count++;
    }
    public int getCount(){
        return count;
    }
}

上面的代码定义了一个多线程，run方法的主要逻辑是共享资源count的自加运算，而且我们还为count变量加上了volatile关键字，确保是从内存中读取和写入的，如果有多个线程运行，也就是多个线程执行count变量的自加操作，count变量会产生脏数据吗？模拟多线程代码如下：

    public static void main(String[] args) {
        // 理想值，并作为最大循环次数
        int value = 1000;
        // 循环次数,防止造成无限循环或者死循环
        int loops = 0;
        // 主线程组,用于估计活动线程数
        ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
        while (loops++<value){
            // 共享资源清零
            UnsafeThread ut = new UnsafeThread();
            for (int i = 0; i < value; i++) {
                new Thread(ut).start();
            }
            // 先等15毫秒，等待活动线程为1
            do {
                try {
                    Thread.sleep(15);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }while (tg.activeCount()!=1);
            //检查实际值与理论值是否一致
            if(ut.getCount()!=value){
                //出现线程不安全的情况
                System.out.println("循环到："+loops+" 遍，出现线程不安全的情况");
                System.out.println("此时，count= "+ut.getCount());
                System.exit(0);
            }
        }
    }

此段代码的逻辑如下：

1、启动1000个线程，修改共享资源count的值

2、暂停15毫秒，观察活动线程数是否为1（即只剩下主线程再运行），若不为1，则再等待15毫秒。

3、共享资源是否是不安全的，即实际值与理想值是否相同，若不相同，则发现目标，此时count的值为脏数据。

4、如果没有找到，继续循环，直到达到最大循环为止。

运行结果：

执行完了，没出现不安全的情况，证明volatile性能还是可以的。

书中自有黄金屋，书中自有颜如玉！

书中的运行结果：

循环到：40遍，出现不安全的情况

此时，count=999

这只是一种可能的结果，每次执行都有可能产生不同的结果。这也说明我们的count变量没有实现数据同步，在多个线程修改的情况下，count的实际值与理论值产生了偏差，直接说明了volatile关键字并不能保证线程的安全。

代码执行完毕，原本期望的结果为1000，但运行后的结果为999，这表示出现了线程不安全的情况。这也就说明了：volatile关键字只能保证当前线程需要该变量的值时能够获得最新的值，并不能保证线程修改的安全性。

顺便说一下，上面的代码中，UnsafeThread类消耗CPU计算时必须的，其目的是加重线程的负荷，以便出现单个线程抢占整个CPU资源的情景，否者很难模拟出volatile线程不安全的情况，大家可以实际测试一下。

UnsafeThread消耗CPU很严重，慎用啊。

建议124：异步运算考虑使用Callable接口

多线程应用有两种实现方式，一种是实现runnable接口，另一种是继承Thread类，这两种方法都有缺点：run方法没有返回值，不能抛出异常（这两个缺点归根到底就是runnable接口的缺陷，Thread类也是实现了runnable接口），如果需要知道一个线程的运行结果就需要用户自行设计，线程类本身并不能提供返回值和异常。但是Java1.5引入了一个新的接口callable，它类似于runnable接口，实现它也可以实现多线程任务。

好不好测一下：

package OSChina.Multithread;

import java.util.concurrent.*;

public class TaxCalculator implements Callable {
    //本金
    private int seedMoney;

    //接收主线程提供的参数
    public TaxCalculator(int _seedMoney){
        seedMoney = _seedMoney;
    }

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        // 复杂计算,运行一次需要2秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);
        return seedMoney/10;
    }
}

模拟一个复杂运算：税款计算器，该运算可能要花费10秒的时间，用户此时一直等啊等，很烦躁，需要给点提示，让用户知道程序在运行，没卡死。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        //生成一个单线程的异步执行器
        ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
        //线程执行后的期望值
        Future<Integer> future = es.submit(new TaxCalculator(100));
        while (!future.isDone()){
            // 还没有运算完成，等待50毫秒
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
            System.out.print("*");
        }
        System.out.println("\n计算完成，税金是："+future.get()+" 元");
        es.shutdown();
    }

Executors是一个静态工具类，提供了异步执行器的创建能力，如单线程异步执行器newSingleThreadExecutor、固定线程数量的执行器newFixedThreadPool等，一般它是异步计算的入口类。future关注的是线程执行后的结果，比如运行十分完毕，结果是多少等。

执行时，"*"会依次递增，表示系统正在运算，为用户提供了运算进度，此类异步计算的好处是：

1、尽可能多的占用系统资源，提高运算速度

2、可以监控线程的执行情况。比如执行是否完毕、是否有返回值、是否有异常等。

3、可以为用户提供更好的支持，比如例子中的运算进度等。

哪吒

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