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定时器的使用
定时器的原理
模拟实现定时器
CAS
介绍
CAS的应用场景
解析 AtomicInteger 类
实现自旋锁
CAS的缺陷…找往期文章包括但不限于本期文章中不懂的知识点 个人主页我要学编程程(ಥ_ಥ)-CSDN博客 所属专栏JavaEE 目录
定时器的使用
定时器的原理
模拟实现定时器
CAS
介绍
CAS的应用场景
解析 AtomicInteger 类
实现自旋锁
CAS的缺陷ABA问题 现在我们来学习最后一个多线程的经典案例定时器。这个与我们日常生活中的闹钟一样到了一定的时间就开始响个不停只不过定时器这里不是响而是去执行某个任务。
定时器的使用
我们可以来使用一下Java标准库中对应的定时器对应的类是 Timer。 上面的创建定时器的四个构造方法。 定时器中执行任务的方法是schedule这个是把任务添加到队列中最终的执行还是 run来 。 TimerTask 是指我们要处理的任务Date 是指从什么时候开始执行当前系统的时间我们设置的时间就是最终的要开始执行任务的时间。 现在我们就可以来演示
public class Test {public static void main(String[] args) {Timer timer new Timer();timer.schedule(new TimerTask() {Overridepublic void run() {System.out.println(timer执行的第一个任务);}}, 1000);timer.schedule(new TimerTask() {Overridepublic void run() {System.out.println(timer执行的第二个任务);}}, 2000);timer.schedule(new TimerTask() {Overridepublic void run() {System.out.println(timer执行的第二个任务);}}, 3000);System.out.println(Hello main);}
}运行结果 定时器的原理
定时器就是底层有一个线程用来接收任务然后在指定的时间来执行这些任务如果一个定时器有多个任务这些任务会根据执行时间的先后关系来存放到一个优先级队列中时间一到就会执行优先级最高的任务。
模拟实现定时器
要求实现和Java标准库中一样的效果。
思路我们已经知道了定时器是通过 线程优先级队列 来完成计时完成任务的。线程是用来不断的执行任务的而优先级队列是用来拿到最先要执行的任务的。那么优先级队列中存储的就是我们要执行的任务以及对应的时间那么我们可以创建一个任务类既包含要执行的任务也包含任务什么时候可以执行这两个参数。当然我们也要去实现比较的策略自定义的类就得去实现schedule 方法是将任务添加到队列中让线程去队列中拿任务并执行。
代码实现
任务类任务时间 组成
class MyTimerTask implements ComparableMyTimerTask {private Runnable task null;private long time 0;// 要执行的任务和多久执行public MyTimerTask(Runnable task, long time) {this.task task;this.time time;}Overridepublic int compareTo(MyTimerTask o) {return (int) (this.time - o.time);}public long getTime() {return time;}public void run() {task.run();}
}
定时器类构造方法schedule方法
public class MyTimer {private final PriorityQueueMyTimerTask queue new PriorityQueue();public MyTimer() {Thread t new Thread(()-{while (true) { // 确保线程不会被销毁synchronized (this) {// 判断队列是否为空while (queue.isEmpty()) {try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}// 拿到任务MyTimerTask task queue.peek();// 看看是否到了执行的时机了if (System.currentTimeMillis() task.getTime()) {try {this.wait(task.getTime() - System.currentTimeMillis());} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}} else {// 执行任务并将堆首元素给踢出去task.run();queue.poll();}}}});t.start();}public void schedule(Runnable task, long time) {// 把任务添加到队列中synchronized (this) {// 1、创建任务(任务是什么任务的执行时刻)MyTimerTask myTimerTask new MyTimerTask(task, timeSystem.currentTimeMillis());// 2、把任务添加到队列中queue.offer(myTimerTask);// 3、唤醒空队列的阻塞this.notify();}}
}
测试代码
public class Test {public static void main(String[] args) {MyTimer myTimer new MyTimer();myTimer.schedule(new Runnable() {Overridepublic void run() {System.out.println(Hello 3000);}}, 3000);myTimer.schedule(new Runnable() {Overridepublic void run() {System.out.println(Hello 2000);}}, 2000);myTimer.schedule(new Runnable() {Overridepublic void run() {System.out.println(Hello 1000);}}, 1000);System.out.println(main线程结束);}
}运行结果 CAS
介绍
CAS是一个CPU的指令全称是 Compare And Swap比较和交换。这个CAS是一条指令也就是 比较和交换 的操作是原子的。
下面是CAS的伪代码
// 假设我们有一个共享变量 value和一个用于操作的函数 CAS
// CAS函数接受三个参数内存地址实际上是指向共享变量的指针、预期值、要交换的值boolean CAS(address, expectedValue, swapValue) {// 获取内存地址中的当前值currentValue *address// 检查当前值是否与预期值相等if (currentValue expectedValue) {// 如果相等将内存地址中的值更新为要交换的值*address swapValuereturn true} else {// 如果不相等返回 false表示交换操作失败return false}
}
CAS的应用场景
既然CAS本身是原子的那么我们就可以利用这种性质来实现原子类从而让线程不安全的代码变为线程安全。
Java标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包这个包中全部是利用CAS来实现的原子类。 代码演示
public class Test {private static int count1 0;// 原子类是一个类注意创建语法private static AtomicInteger count2 new AtomicInteger();public static void main(String[] args) {// 1、使用普通类、普通的线程的去计算countAdd1();System.out.println(count1count1);// 2、使用原子类、普通的线程去计算countAdd2();System.out.println(count2count2);}private static void countAdd2() {Thread t1 new Thread(()-{for (int i 0; i 100000; i) {count2.getAndAdd(1); // 类似于后置}});Thread t2 new Thread(()-{for (int i 0; i 100000; i) {count2.getAndAdd(1); // 类似于后置}});t1.start();t2.start();try {t1.join();t2.join();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}private static void countAdd1() {Thread t1 new Thread(()-{for (int i 0; i 100000; i) {count1;}});Thread t2 new Thread(()-{for (int i 0; i 100000; i) {count1;}});t1.start();t2.start();try {t1.join();t2.join();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}运行结果 从结果我们也可以看出原子类是本身就是线程安全的因此就不需要进行加锁操作。
解析 AtomicInteger 类 当然上面的方法是先得到旧值再去进行add操作即最终得到的是add操作之前的旧值而 addAndGet 方法是先进行add操作再返回add操作之后的值即最终得到的是add操作之后的新值。
原子类之所以会可以保障线程安全是因为原子类会在进行写操作之前再检查一下寄存器中的值是否与内存中的值是否一致如果不一致的话就会去修改寄存器中的值。这样就保障了寄存器中的值与内存中的值在写操作之前一定是一致的而这个确保机制就是CAS来实现的。
实现自旋锁
CAS也是可以实现自旋锁的。自旋锁是一种乐观锁的策略。与悲观锁相比其会一直去等待别的线程释放这个锁并且第一时间拿到这个锁。
private Object locker null; // 锁while (!CAS(locker,null,Thread.currentThread())) {}public class SpinLock {private Object locker null; // 自旋锁// 加锁public void lock() {// 判断当前锁是否被其他线程持有。// 如果被其他线程持有就会返回false从而一直循环判断// 如果没有被其他线程持有就会将锁改为当前线程持有并返回true退出循环while (!CAS(locker,null,Thread.currentThread())) {}}// 解锁 private void unlock() {locker null;}
}CAS的缺陷ABA问题
任何东西都不可能是完美的CAS也是一样。CAS虽然会在每次进行写操作之前进行判断内存中的值和寄存器中的值是否一致但是当中间有个线程突然插一脚将内存的值改为了其他的值后面又给改回来了呢这就会导致这次在写操作时可能会带来不可忽略的严重错误。
举个例子经典案例 假设小琳银行卡有 100 块钱余额且假定银行转账操作就是一个单纯的 CAS 命令对比余额旧值是否与当前值相同如果相同则发生扣减/增加我们将这个指令用 CAS(origin,expect) 表示。于是我们看看接下来发生了什么 小琳在 ATM 1 转账 100 块钱给小李 由于ATM 1 出现了网络拥塞的原因卡住了这时候小琳跑到旁边的 ATM 2 再次操作转账 ATM 2 没让小琳失望执行了 CAS(100,0)很痛快地完成了转账此时小琳的账户余额为 0 小王这时候又给小琳账上转了 100此时小琳账上余额为 100 这时候 ATM 1 网络恢复继续执行 CAS(100,0)居然执行成功了小琳账户上余额又变为了 0 这时候小王微信跟小琳说转了 100 过去是否收到呢小琳去查了下账摇了摇头并未收到账。 分析 1、最初小琳银行卡余额为 100我们将这个状态记为 A余额 100。 2、当 ATM 2 成功转账后余额变为 0这是状态 B余额 0。 3、然后小王转账 100余额又变回 100这就回到了状态 A余额 100。 4、最后 ATM 1 恢复之后重新检查了小琳的余额发现与之前的余额是一样的因此成功执行转账又将余额变为 0。 整个过程中余额从 100A变成 0B然后又变回 100A而 CAS 操作只检查余额是否为最初的 100没有察觉到中间的变化导致了不符合预期的转账操作。 形成ABA问题的关键 1、某个线程需要重复读取某个内存地址并以内存地址的值变化作为该值是否变化的唯一判定依据 2、重复读取的变量会被多线程共享且存在『值回退』的可能即值变化后有可能因为某个操作重新变为原值 3、在多次读取间隔中没有采取有效的同步手段比如加锁。 以上三个关键点构成了 ABA 问题的充分条件我们只需要打破其中一个条件就可以解决 ABA 问 题。
解决方法 1、最暴力的解决方法就是在转账操作的时候进行加锁这样就不会出现别的线程横插一脚了。 2、在每次的CAS操作中加入一个正向递增的值这样即使发生上述情况下一次去判断时和上一次的结果就会不一样最终就不会执行成功或者会更新为最新的情况。这个正向递增的值可以采用版本号与时间戳。 好啦本期 初始JavaEE篇——多线程7定时器、CAS 的学习之旅就到此结束啦我们下一期再一起学习吧
