Java 并发编程与任务调度详解

布满荆棘的人生 2024-03-24 20:13 73阅读 0赞

### 第一部分：并发编程基础 ###

在讨论并发编程之前，首先需要理解一些基本概念和原理。

#### 什么是线程 ####

线程是计算机操作系统中的基本执行单位之一。它是进程中的一部分，是操作系统调度的基本单位。一个进程可以包含多个线程，每个线程执行自己的代码，但是它们共享进程的内存和其他资源。

线程通常比进程更轻量级，可以更快地创建和销毁，并且可以更有效地利用系统资源。不同线程之间可以并发地执行，从而使得多个任务可以同时进行。线程可以在单个 CPU 上运行，也可以在多个 CPU 上并发地执行，从而实现并行计算。

线程是并发编程中重要的概念，通常用于创建多任务应用程序。例如，在一个 Web 服务器中，每个请求可以被分配给一个单独的线程进行处理，以便服务器可以同时处理多个请求。

在 Java 中，线程是通过 Thread 类来实现的。线程可以并行运行，也可以协作运行，共同完成一项任务。

#### 什么是并发 ####

在 Java 中，并发是指在一个时间段内多个线程在同一个程序中执行。当多个线程同时执行时，它们可能会共享一些资源（如内存或文件），这可能导致数据竞争和其他问题。Java 提供了多种机制来协调和控制多个线程之间的执行，以确保它们可以正确地访问共享资源。

#### 什么是同步 ####

同步是一种机制，它用于确保多个线程不会同时访问共享资源。在 Java 中，可以使用 synchronized 关键字将代码块标记为同步代码块，从而确保在任何时候只有一个线程可以访问该代码块。synchronized 关键字可以用于实例方法、静态方法和代码块。

#### 什么是互斥 ####

互斥是一种机制，它用于确保在任何时候只有一个线程可以访问共享资源。在 Java 中，可以使用锁（Lock）对象来实现互斥。Lock 对象可以保证只有一个线程可以持有锁，并且只有在持有锁的线程释放锁之后，其他线程才能获取锁并访问共享资源。与 synchronized 关键字不同，Lock 对象可以提供更高级的功能，如可重入锁和公平锁。

### 第二部分：JDK原生线程和任务调度 ###

Java 提供了丰富的并发编程 API，包括线程、锁、信号量、阻塞队列等。本部分将深入介绍 JDK 原生的线程和任务调度。

#### 创建线程 ####

在 Java 中，创建线程有两种方式，一种是继承 Thread 类，另一种是实现 Runnable 接口。

public class MyThread extends Thread {
        public void run() {
            // 线程执行的代码
        }
    }
    
    public class MyRunnable implements Runnable {
        public void run() {
            // 线程执行的代码
        }
    }
    
    // 创建线程并启动
    MyThread thread = new MyThread();
    thread.start();
    
    MyRunnable runnable = new MyRunnable();
    Thread thread = new Thread(runnable);
    thread.start();

#### 线程状态 ####

在 Java 中，线程有多种状态，包括新建、运行、阻塞、等待、计时等待和终止等状态。

*  **NEW：新建状态，线程对象已经创建，但是还没有调用 start() 方法启动线程。**
 *  **RUNNABLE：运行状态，线程正在运行或者等待 CPU 时间片。**
 *  **BLOCKED：阻塞状态，线程正在等待获取一个排他锁，或者等待 I/O 操作完成。**
 *  **WAITING：等待状态，线程正在等待其他线程的通知，处于无限期等待状态。**
 *  **TIMED\_WAITING：计时等待状态，线程正在等待其他线程的通知，但是最多等待一段时间。**
 *  **TERMINATED：终止状态，线程已经执行完成或者被中断。**

**线程状态图：**

+----------------+     +----------------+     +-----------------+
    | NEW            | --> | RUNNABLE       | --> | BLOCKED         |
    |                |     |                |     |                 |
    |                |     |                |     | waiting for     |
    |                |     |                |     | monitor lock    |
    +----------------+     +----------------+     +-----------------+
           |                      |                           |
           |                      |                           |
           |                      |                           |
           |                      |                           |
           V                      V                           V
    +----------------+     +----------------+     +-----------------+
    | TERMINATED     | <-- | TIMED_WAITING  | <-- | WAITING         |
    |                |     |                |     |                 |
    |                |     |                |     | waiting for     |
    |                |     |                |     | another thread  |
    |                |     |                |     | or I/O to finish|
    +----------------+     +----------------+     +-----------------+

#### 线程同步 ####

线程同步是保证多个线程之间共享资源的正确访问顺序的一种机制。Java 提供了多种方式实现线程同步，包括 **synchronized、Lock、Semaphore** 等。

##### synchronized #####

synchronized 是 Java 中最常用的线程同步机制，它可以保证同一时间只有一个线程访问共享资源。synchronized 可以用在方法或代码块中，它通过获取对象的锁来实现同步。

public class Counter {
        private int count = 0;
        public synchronized void increment() {
            count++;
        }
        public synchronized void decrement() {
            count--;
        }
    }

上面的代码中，increment() 和 decrement() 方法都是同步的，它们会获取 Counter 对象的锁，然后执行 count++ 或者 count-- 操作。这样可以保证多个线程对 count 变量的访问是安全的。

##### Lock #####

Lock 是 Java 中另一种常用的线程同步机制，它提供了更多的功能和灵活性。Lock 可以用来实现同步，也可以用来实现等待/通知机制。与 synchronized 不同，Lock 不是 Java 语言层面的关键字，而是一个 Java 类。Lock 提供了多种方法实现线程同步，包括 lock()、tryLock()、lockInterruptibly()、newCondition() 等。

public class Counter {
        private int count = 0;
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        public void increment() {
            lock.lock();
            try {
                count++;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        public void decrement() {
            lock.lock();
            try {
                count--;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

上面的代码中，increment() 和 decrement() 方法都是使用 Lock 实现的。它们会获取一个锁对象，然后执行 count++ 或者 count-- 操作。与 synchronized 不同，使用 Lock 需要显式地获取锁和释放锁。

##### Semaphore #####

Semaphore 是 Java 中一种常用的同步工具，它可以控制同一时间有多少个线程访问共享资源。Semaphore 提供了两个常用的方法 acquire() 和 release()，用来获取和释放许可。

下面是一个使用 Semaphore 的简单示例，其中有一个共享资源，多个线程需要访问该资源。但是，每次只允许两个线程同时访问该资源。

import java.util.concurrent.Semaphore;
    
    public class SemaphoreDemo {
        // 定义 Semaphore，初始许可数为 2
        private static final Semaphore sem = new Semaphore(2);
    
        public static void main(String[] args) {
            // 创建 5 个线程
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                new Thread(() -> {
                    try {
                        // 尝试获取许可
                        sem.acquire();
                        System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " acquired permit.");
                        // 模拟线程执行一段时间
                        Thread.sleep(2000);
                        System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " releasing permit.");
                        // 释放许可
                        sem.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }).start();
            }
        }
    }

在上面的示例中，Semaphore 的初始许可数为 2，表示最多只有两个线程可以同时访问共享资源。每个线程首先调用 acquire() 方法尝试获取许可，如果没有许可可用，线程将阻塞直到许可可用为止。一旦线程获取到许可，它将执行一段模拟工作的代码，然后释放许可。当线程释放许可时，另一个线程就有机会获取许可并继续执行。由于 Semaphore 限制了许可的数量，因此只有两个线程可以同时访问共享资源。

#### 线程池 ####

线程池是一种常用的线程管理方式，它可以避免线程频繁创建和销毁的开销，同时可以控制线程的数量，保证系统的稳定性和效率。Java 提供了 ThreadPoolExecutor 类来实现线程池功能。

public class ThreadPoolDemo {
        public static void main(String[] args) {
            ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Runnable task = new Task();
                executor.execute(task);
            }
            executor.shutdown();
        }
    }

上面的代码中，创建了一个大小为 5 的线程池，并提交了 10 个任务。每个任务都是一个实现了 Runnable 接口的类，执行 executor.execute(task) 方法后，线程池会自动调度线程执行任务。执行 executor.shutdown() 方法后，线程池会关闭并等待所有任务执行完成。

#### 任务调度 ####

任务调度是指在特定的时间或者条件下执行指定的任务。Java 提供了多种任务调度方式，包括 Timer、ScheduledExecutorService 等。

##### Timer #####

Timer 是 Java 中自带的一个任务调度器，它可以在指定的时间执行指定的任务。Timer 提供了 schedule() 和 scheduleAtFixedRate() 两种方法，用来执行一次性任务和循环任务。

public class TimerDemo {
        public static void main(String[] args) {
            TimerTask task = new TimerTask() {
                public void run() {
                    System.out.println("task is running");
                }
            };
            Timer timer = new Timer();
            timer.schedule(task, 5000);
        }
    }

上面的代码中，创建了一个 Timer 对象和一个 TimerTask 对象，然后调用 timer.schedule(task, 5000) 方法，在 5 秒后执行任务。Timer 还提供了其他方法，比如 scheduleAtFixedRate() 用来执行循环任务。

##### ScheduledExecutorService #####

ScheduledExecutorService 是 Java 中推荐使用的任务调度器，它提供了比 Timer 更灵活和可靠的任务调度方式。ScheduledExecutorService 提供了 schedule() 和 scheduleAtFixedRate() 两种方法，用来执行一次性任务和循环任务。

public class ScheduledExecutorDemo {
        public static void main(String[] args) {
            Runnable task = new Task();
            ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(1);
            executor.schedule(task, 5, TimeUnit.SECONDS);
            executor.shutdown();
        }
    }

上面的代码中，创建了一个 ScheduledExecutorService 对象和一个任务对象，然后调用 executor.schedule(task, 5, TimeUnit.SECONDS) 方法，在 5 秒后执行任务。ScheduledExecutorService 还提供了其他方法，比如 scheduleWithFixedDelay() 用来执行循环任务。

### 使用三方类库 ###

除了 JDK 自带的线程和任务调度功能，Java 还有很多优秀的第三方类库可以用来实现并发编程和任务调度。常见的三方类库有：

*  Apache Commons Lang
 *  Guava
 *  Quartz
 *  Spring Task

这里以 Quartz 和 Spring Task 为例，介绍如何使用这两个类库实现并发编程和任务调度。

#### Quartz ####

Quartz 是一个开源的任务调度框架，它提供了更丰富和灵活的任务调度功能，支持分布式任务调度和集群任务调度。Quartz 可以用来执行一次性任务和循环任务，也可以执行复杂的任务，比如发送邮件、备份数据等。

Quartz 的特点包括：

1.  灵活性高：Quartz 可以根据各种触发器类型（如简单触发器、cron 触发器等）来调度任务，也可以配置任务执行的优先级、执行次数和时间等属性。
2.  高可靠性：Quartz 提供了错误处理和恢复机制，可以在任务执行过程中出现故障时自动进行处理和恢复。
3.  分布式和集群支持：Quartz 支持分布式任务调度和集群任务调度，可以部署在多台机器上，从而提高任务的可靠性和扩展性。

##### Quartz 调度定时任务 #####

下面是一个使用 Quartz 进行任务调度的 Java 示例，它使用 Quartz 调度一个定时任务，每隔 10 秒钟输出一句话：

import org.quartz.Job;
    import org.quartz.JobExecutionContext;
    import org.quartz.JobExecutionException;
    import org.quartz.Scheduler;
    import org.quartz.SchedulerException;
    import org.quartz.Trigger;
    import org.quartz.TriggerBuilder;
    import org.quartz.impl.StdSchedulerFactory;
    
    import java.util.Date;
    
    public class QuartzDemo implements Job {
        public void execute(JobExecutionContext jobExecutionContext) throws JobExecutionException {
            System.out.println("Hello Quartz! " + new Date());
        }
    
        public static void main(String[] args) throws SchedulerException, InterruptedException {
            // 创建 Scheduler 工厂
            StdSchedulerFactory factory = new StdSchedulerFactory();
            // 创建 Scheduler
            Scheduler scheduler = factory.getScheduler();
            // 创建 JobDetail
            JobDetail jobDetail = JobBuilder.newJob(QuartzDemo.class).build();
            // 创建触发器
            Trigger trigger = TriggerBuilder.newTrigger()
                    .withSchedule(SimpleScheduleBuilder.simpleSchedule().withIntervalInSeconds(10).repeatForever())
                    .build();
            // 将任务和触发器加入 Scheduler
            scheduler.scheduleJob(jobDetail, trigger);
            // 启动 Scheduler
            scheduler.start();
            // 让程序休眠 60 秒
            Thread.sleep(60000);
            // 停止 Scheduler
            scheduler.shutdown();
        }
    }

在上面的示例中，我们首先创建了一个 Job 类（QuartzDemo），它实现了 Quartz 的 Job 接口，并重写了 execute() 方法，这个方法中定义了需要执行的任务。

然后，我们使用 Quartz 的 SchedulerFactory 创建了一个 Scheduler，并创建了一个 JobDetail 对象和一个 Trigger 对象。JobDetail 定义了需要执行的 Job，而 Trigger 定义了 Job 的触发条件。

最后，我们将 JobDetail 和 Trigger 加入 Scheduler 中，并启动 Scheduler。程序休眠 60 秒钟后，我们停止了 Scheduler。在程序执行过程中，每隔 10 秒钟就会执行一次 Job 中定义的任务。

##### 使用Quartz的Cron表达式 #####

除了定时任务之外，Quartz 还提供了其他类型的任务调度，例如：

1.  Cron 表达式触发器：使用类似于 Linux 的 Cron 表达式来定义任务执行时间，可以灵活地定义任务的执行时间和频率。
2.  日历触发器：使用日历来定义任务的执行时间，可以通过排除某些特定的时间来调度任务。
3.  监听器：Quartz 提供了多种监听器，可以在任务执行前后或触发器触发前后执行特定的逻辑。
4.  集群任务调度：Quartz 支持多个 Scheduler 实例之间的集群任务调度，从而提高任务的可靠性和扩展性。
5.  分布式任务调度：Quartz 还支持分布式任务调度，可以将任务调度到远程的节点执行。

下面是一个使用 Quartz 的 Cron 表达式触发器进行任务调度的 Java 示例，它使用 Quartz 调度一个定时任务，每天上午 9 点钟执行一次：

import org.quartz.*;
    import org.quartz.impl.StdSchedulerFactory;
    
    import java.util.Date;
    
    public class QuartzDemo implements Job {
        public void execute(JobExecutionContext jobExecutionContext) throws JobExecutionException {
            System.out.println("Hello Quartz! " + new Date());
        }
    
        public static void main(String[] args) throws SchedulerException, InterruptedException {
            // 创建 Scheduler 工厂
            StdSchedulerFactory factory = new StdSchedulerFactory();
            // 创建 Scheduler
            Scheduler scheduler = factory.getScheduler();
            // 创建 JobDetail
            JobDetail jobDetail = JobBuilder.newJob(QuartzDemo.class).build();
            // 创建触发器
            Trigger trigger = TriggerBuilder.newTrigger()
                    .withSchedule(CronScheduleBuilder.cronSchedule("0 0 9 * * ?"))
                    .build();
            // 将任务和触发器加入 Scheduler
            scheduler.scheduleJob(jobDetail, trigger);
            // 启动 Scheduler
            scheduler.start();
            // 让程序休眠 60 秒
            Thread.sleep(60000);
            // 停止 Scheduler
            scheduler.shutdown();
        }
    }

在上面的示例中，我们使用 Quartz 的 CronScheduleBuilder 创建了一个 Cron 表达式触发器，这个触发器每天上午 9 点钟触发一次任务。

##### 细说Quartz的Cron表达式 #####

Quartz 的 Cron 表达式是一种用于定义任务调度时间的表达式，它使用类似于 Linux 的 Cron 语法来定义任务执行的时间和频率。Cron 表达式的语法非常复杂，但是掌握一些基本的语法规则就足够了。下面是一个简单的 Cron 表达式示例：

0 0 0/1 * * ?   // 每小时执行一次

上面的 Cron 表达式由 6 个字段组成，分别代表秒、分、时、日、月和星期。下面是每个字段的语法规则：

1.  秒（Seconds）：0~59，可选。
2.  分钟（Minutes）：0~59，必须指定。
3.  小时（Hours）：0~23，必须指定。
4.  日（Day of month）：1~31，必须指定。
5.  月（Month）：112 或 JANDEC，必须指定其中之一。
6.  星期（Day of week）：07 或 SUNSAT（0 和 7 都表示周日），必须指定其中之一。

其中，月和星期两个字段是互斥的，也就是说，一个任务只能在指定的月份或指定的星期中执行。

除了基本的语法规则之外，Cron 表达式还支持一些特殊符号和关键词，用于表示一些常用的时间段和逻辑条件。下面是一些常用的特殊符号和关键词：

1.  星号（\*）：表示任意值，可以用在任何字段中。
2.  问号（?）：表示不指定值，可以用在日和星期字段中。
3.  斜线（/）：用于指定增量，例如，\*/5 表示每 5 个单位执行一次。
4.  逗号（,）：用于指定多个值，例如，1,2,3 表示 1、2、3 三个值都可以执行。
5.  连字符（-）：用于指定范围，例如，10-15 表示 10 到 15 的范围内的值都可以执行。

下面是一些示例 Cron 表达式：

*  `0 0 0/1 * * ?`：每小时执行一次。
 *  `0 0 12 ? * MON-FRI`：每个工作日中午 12 点执行一次。
 *  `0 0 1 ? * SAT#3`：每个月的第三个星期六凌晨 1 点执行一次。

需要注意的是，Cron 表达式的语法非常复杂，需要根据具体需求来编写，建议参考官方文档进行学习和使用。

#### Spring Task ####

Spring Task 是 Spring Framework 中的一个基于注解的任务调度框架，它提供了简单的任务调度功能，支持一次性任务和循环任务。Spring Task 的主要组成部分是任务调度器（TaskScheduler）和任务执行器（TaskExecutor），其中任务调度器负责管理任务的调度，而任务执行器负责执行任务。

Spring Task 的核心特性包括：

1.  支持定时任务和周期性任务：Spring Task 支持多种任务触发方式，包括固定延迟、固定速率和 Cron 表达式等。
2.  支持异步执行：Spring Task 支持在单独的线程中执行任务，不会阻塞主线程。
3.  支持任务过滤：Spring Task 支持基于任务名称、组名和 Cron 表达式等方式进行任务过滤。

##### 固定延迟任务、固定速率任务和 Cron 表达式任务 #####

下面是一个简单的 Spring Task 示例代码：

import org.springframework.scheduling.annotation.Scheduled;
    import org.springframework.stereotype.Component;
    
    @Component
    public class MyTask {
    
        @Scheduled(fixedDelay = 1000)
        public void myFixedDelayTask() {
            System.out.println("Fixed delay task - " + System.currentTimeMillis());
        }
    
        @Scheduled(fixedRate = 2000)
        public void myFixedRateTask() {
            System.out.println("Fixed rate task - " + System.currentTimeMillis());
        }
    
        @Scheduled(cron = "0/5 * * * * ?")
        public void myCronTask() {
            System.out.println("Cron task - " + System.currentTimeMillis());
        }
    }

上面的代码定义了一个名为 MyTask 的 Spring Task，其中包含三个方法，分别用于定义固定延迟任务、固定速率任务和 Cron 表达式任务。这些方法都使用了 Spring Task 提供的 @Scheduled 注解，用于指定任务的触发方式。

其中，@Scheduled 注解中的 fixedDelay 和 fixedRate 属性分别用于指定固定延迟和固定速率任务的触发间隔，单位为毫秒。而 cron 属性则用于指定 Cron 表达式任务的触发时间。在上面的示例中，固定延迟任务和固定速率任务分别会每隔 1 秒和 2 秒执行一次，而 Cron 表达式任务会每隔 5 秒执行一次。

需要注意的是，为了启用 Spring Task 功能，需要在 Spring Boot 应用程序的主类上添加 @EnableScheduling 注解。这个注解可以在应用程序启动时自动启用 Spring Task。

##### 自定义任务调度器和任务执行器 #####

我们还可以使用 Spring Task 提供的 TaskScheduler 和 TaskExecutor 接口来自定义任务调度器和任务执行器。这样可以更灵活地管理任务调度和任务执行。下面是一个使用 TaskScheduler 和 TaskExecutor 接口自定义任务调度器和任务执行器的示例代码：

import org.springframework.context.annotation.Bean;
    import org.springframework.context.annotation.Configuration;
    import org.springframework.core.task.SimpleAsyncTaskExecutor;
    import org.springframework.scheduling.TaskScheduler;
    import org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskScheduler;
    import org.springframework.scheduling.support.CronTrigger;
    
    @Configuration
    public class MyTaskConfig {
    
        @Bean
        public TaskScheduler taskScheduler() {
            ThreadPoolTaskScheduler scheduler = new ThreadPoolTaskScheduler();
            scheduler.setPoolSize(10);
            scheduler.setThreadNamePrefix("my-task-scheduler-");
            return scheduler;
        }
    
        @Bean
        public SimpleAsyncTaskExecutor taskExecutor() {
            SimpleAsyncTaskExecutor executor = new SimpleAsyncTaskExecutor();
            executor.setConcurrencyLimit(5);
            return executor;
        }
    
        @Bean
        public MyTask myTask() {
            return new MyTask();
        }
    
        public class MyTask {
            public void runTask() {
                System.out.println("Task is running - " + System.currentTimeMillis());
            }
        }
    
        public void scheduleTask() {
            TaskScheduler scheduler = taskScheduler();
            SimpleAsyncTaskExecutor executor = taskExecutor();
            MyTask task = myTask();
            scheduler.schedule(() -> executor.execute(task::runTask), new CronTrigger("0/5 * * * * ?"));
        }
    }

在上面的示例代码中，我们首先定义了一个 TaskScheduler 和一个 TaskExecutor，分别用于自定义任务调度器和任务执行器。其中，TaskScheduler 使用了 ThreadPoolTaskScheduler 实现，可以配置线程池大小和线程名前缀等参数；而 TaskExecutor 使用了 SimpleAsyncTaskExecutor 实现，可以配置并发限制等参数。

接下来，我们定义了一个 MyTask 类，其中包含一个 runTask() 方法，用于执行具体的任务逻辑。然后，我们通过 @Bean 注解将 MyTask 类注册为 Spring Bean。

最后，我们定义了一个 scheduleTask() 方法，用于启动任务调度。这个方法使用 TaskScheduler 和 CronTrigger 来定义任务调度的触发方式，使用 TaskExecutor 来执行任务。在这个示例中，我们定义了一个 Cron 表达式，用于每隔 5 秒触发一次任务调度。任务调度被触发时，会调用 MyTask 的 runTask() 方法来执行具体的任务逻辑。

需要注意的是，为了启用自定义的任务调度器和任务执行器，我们需要将 MyTaskConfig 类注册为 Spring Bean，并在应用程序启动时通过 @PostConstruct 注解来调用 scheduleTask() 方法来启动任务调度。

### 结语 ###

本文介绍了如何在 Java 中使用线程进行并发编程和任务调度。使用线程可以提高程序的并发处理能力，使用任务调度可以提高程序的自动化处理能力。本文介绍了 JDK 原生的线程和任务调度功能，以及常用的三方类库 Quartz 和 Spring Task，希望能够对读者有所帮助。

在使用线程和任务调度的过程中，需要注意线程安全和任务重复执行等问题，尤其是在多线程环境下，需要加锁保证线程安全。同时还需要注意内存泄漏和资源消耗等问题，尽量避免在程序中出现死循环和大量创建线程的情况，以免导致系统崩溃。

线程和任务调度是 Java 中非常重要的功能，需要仔细学习和实践，才能掌握其核心技术和优化技巧，提高程序的性能和可靠性。