執行緒與並行API
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本文件介紹了Java執行緒及其並行API的基本概念，包括thread和runnable的使用、synchronized關鍵字、執行緒的生命周期、及如何利用wait()、notify()、和notifyall()進行執行緒的等待與通知。此外，文件還闡述了如何管理執行緒群組及synchronized和volatile的應用，並介紹了高階的鎖定機制如lock和readwritelock。
執行緒與並行API
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- 2. 執行緒與並行API 學習目標 • 認識Thread與Runnable • 使用synchronized • 使用wait()、notify()、notifyAll() • 運用高階並行API 2
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- 5. 簡介執行緒 • 如果可以撰寫程式再啟動兩個流程，一個是 烏龜流程，一個免子流程，程式邏輯會比較 清楚 … • 如果想在main()以外獨立設計流程，可以撰 寫類別實作java.lang.Runnable介面， 流程的進入點是實作在run()方法中 … 5
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- 9. Thread與Runnable • JVM是台虛擬電腦，只安裝一顆稱為主執行 緒的CPU，可執行main()定義的執行流程 • 如果想要為JVM加裝CPU，就是建構Thread 實例，要啟動額外CPU就是呼叫Thread實例 的start()方法 • 額外CPU執行流程的進入點，可以定義在 Runnable介面的run()方法中 9
- 13. Thread與Runnable • 實作Runnable於run()中定義額外流程好？ 還是繼承Thread於run()中定義額外流程 好？ – 實作Runnable介面的好處就是較有彈性，你的 類別還有機會繼承其它類別 – 若繼承了Thread，那該類別就是一種Thread， 通常是為了直接利用Thread中定義的一些方法， 才會繼承Thread來實作 13
- 16. 執行緒生命周期 16
- 17. 執行緒生命周期 17
- 18. 執行緒生命周期 • 執行緒有其優先權，可使用Thread的 setPriority()方法設定優先權 – 可設定值為1（Thread.MIN_PRIORITY）到10 （Thread.MAX_PRIORITY），預設是5 （Thread.NORM_PRIORITY） – 超出1到10外的設定值會拋出 IllegalArgumentException • 數字越大優先權越高，排班器越優先排入CPU，如 果優先權相同，則輸流執行（Round-robin） 18
- 19. 執行緒生命周期 • 有幾種狀況會讓執行緒進入Blocked狀態 – 呼叫Thread.sleep()方法 – 進入synchronized前競爭物件鎖定的阻斷 – 呼叫wait()的阻斷 – 等待輸入輸出完成 • 當某執行緒進入Blocked時，讓另一執行緒排 入CPU執行（成為Running狀態），避免CPU 空閒下來，經常是改進效能的方式之一 19
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- 23. 執行緒生命周期 23
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- 29. 執行緒生命周期 • 使用了被標示為Deprecated的API，編譯器會提出警 告，而在IDE中，通常會出現刪除線表示不建議使 用 • 直接呼叫Thread的stop()方法，將不理會你所設 定的釋放、取得鎖定流程，執行緒會直接釋放所有 已鎖定物件，有可能使物件陷入無法預期狀態 • 除了stop()方法外，Thread的resume()、 suspend()、destroy()等方法也不建議再使用 29
- 33. 關於ThreadGroup • 每個執行緒產生時，都會歸入某個執行緒群 組，這視執行緒是在哪個群組中產生 • 如果沒有指定，則歸入產生該子執行緒的執 行緒群組 • 可以自行指定執行緒群組，執行緒一但歸入 某個群組，就無法更換群組 33
- 37. 關於ThreadGroup • ThreadGroup中有個uncaughtException()方 法，群組中某個執行緒發生例外而未捕捉時，JVM 會呼叫此方法進行處理 – 如果ThreadGroup有父ThreadGroup，就會呼叫父 ThreadGroup的uncaughtException()方法 – 否則看看例外是否為ThreadDeath實例，若是什麼都不 作，若否則呼叫例外的printStrackTrace() • 如果必要定義ThreadGroup中執行緒的例外處理 行為，可以重新定義此方法 37
- 38. 關於ThreadGroup 38
- 39. 關於ThreadGroup • 在JDK5之後，如果ThreadGroup中的執行緒發生 例外時 … – 如果ThreadGroup有父ThreadGroup，就會呼叫父 ThreadGroup的uncaughtException()方法 – 否則，看看Thread是否使用 setUncaughtExceptionHandler()方法設定 Thread.UncaughtExceptionHandler實例，有的話 就會呼叫其uncaughtException()方法 – 否則，看看例外是否為ThreadDeath實例，若「是」什 麼都不作，若「否」則呼叫例外的 printStrackTrace() 39
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- 43. synchronized與volatile • 如果你嘗試執行程式，「有可能」會發生 ArrayIndexOutOfBoundsException例 外… • 執行緒存取同一物件相同資源時所引發的競 速情況（Race condition） … 43
- 45. synchronized與volatile • 每個物件都會有個內部鎖定（IntrinsicLock）， 或稱為監控鎖定（Monitor lock） • 被標示為synchronized的區塊將會被監控，任 何執行緒要執行synchronized區塊都必須先取 得指定的物件鎖定 45
- 49. synchronized與volatile • 第9章介紹過的Collection與Map，都未考慮執行 緒安全 • 可以使用Collections的… – synchronizedCollection() – synchronizedList() – synchronizedSet() – synchronizedMap() • 這些方法會將傳入的Collection、List、Set、 Map實作物件包裹，傳回具執行緒安全的物件 49
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- 53. synchronized與volatile • Java的synchronized提供的是可重入同步（Reentrant Synchronization） – 執行緒取得某物件鎖定後，若執行過程中又要執行 synchronized時，嘗試取得鎖定的物件來源又是同一 個，則可以直接執行 • 由於執行緒無法取得鎖定時會造成阻斷，不正確地 使用synchronized有可能造成… – 效能低落 – 死結（Dead lock） 53
- 56. synchronized與volatile • synchronized要求達到的所標示區塊的互 斥性（Mutual exclusion）與可見性 （Visibility） – 互斥性是指synchronized區塊同時間只能有一 個執行緒 – 可見性是指執行緒離開synchronized區塊後， 另一執行緒接觸到的就是上一執行緒改變後的物 件狀態 56
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- 60. synchronized與volatile • 可以在變數上宣告volatile，表示變數是 不穩定、易變的 – 也就是可能在多執行緒下存取，這保證變數的可 見性，也就是若有執行緒變動了變數值，另一執 行緒一定可看到變更 • 被標示為volatile的變數，不允許執行緒 快取，變數值的存取一定是在共享記憶體中 進行 60
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- 64. 等待與通知 • wait()、notify()與notifyAll()是Object 定義的方法 – 可以透過這三個方法控制執行緒釋放物件的鎖定，或者 通知執行緒參與鎖定競爭 • 執行synchronized範圍的程式碼期間，若呼叫鎖 定物件的wait()方法，執行緒會釋放物件鎖定， 並進入物件等待集合（Wait set）而處於阻斷狀 態 • 其它執行緒可以競爭物件鎖定，取得鎖定的執行緒 可以執行synchronized範圍的程式碼 64
- 65. 等待與通知 • 放在等待集合的執行緒不會參與CPU排班 • wait()可以指定等待時間，時間到之後執行 緒會再度加入排班 – 如果指定時間0或不指定，則執行緒會持續等待， 直到被中斷（呼叫interrupt()）或是告知 （notify()）可以參與排班 65
- 66. 等待與通知 • 被競爭鎖定的物件之notify()呼叫時，會 從物件等待集隨機通知一個執行緒加入排班 – 再度執行synchronized前，被通知的執行緒會 與其它執行緒共同競爭物件鎖定 • 如果呼叫notifyAll()，所有等待集中的 執行緒都會被通知參與排班，這些執行緒會 與其它執行緒共同競爭物件鎖定 66
- 67. 等待與通知 67
- 69. 等待與通知 69
- 70. 等待與通知 70
- 71. 等待與通知 71
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- 81. Lock、ReadWriteLock與Condition • ReadWriteLock介面定義了讀取鎖定與寫 入鎖定行為，可以使用readLock()、 writeLock()方法傳回Lock實作物件 • ReentrantReadWriteLock 是ReadWriteLock介面的主要實作類別 – readLock()方法會傳回 ReentrantReadWriteLock.ReadLock實例 – writeLock()方法會傳回 ReentrantReadWriteLock.WriteLock實例 81
- 82. Lock、ReadWriteLock與Condition • ReentrantReadWriteLock.ReadLock實作了 Lock介面，呼叫其lock()方法時… – 若沒有任何ReentrantReadWriteLock.WriteLock 呼叫過lock()方法，也就是沒有任何寫入鎖定時，就可 以取得讀取鎖定 • ReentrantReadWriteLock.WriteLock實作了 Lock介面，呼叫其lock()方法時… – 若沒有任何ReentrantReadWriteLock.ReadLock或 ReentrantReadWriteLock.WriteLock呼叫過 lock()方法，也就是沒有任何讀取或寫入鎖定時，才可 以取得寫入鎖定。 82
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- 85. 使用StampedLock • ReadWriteLock在沒有任何讀取或寫入鎖定 時，才可以取得寫入鎖定，這可用於實現悲 觀讀取（Pessimistic Reading） • 如果執行緒進行讀取時，經常可能有另一執 行緒有寫入需求，為了維持資料一致， ReadWriteLock的讀取鎖定就可派上用場 85
- 87. 使用StampedLock • JDK8新增了StampedLock類別，可支援樂觀 讀取（Optimistic Reading）實作 • 若讀取執行緒很多，寫入執行緒甚少的情況 下，你可以樂觀地認為，寫入與讀取同時發 生的機會甚少，因此不悲觀地使用完全的讀 取鎖定 87
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- 101. 使用Executor 101
- 102. 使用Executor • 執行緒池這類服務定義在Executor子介面 java.util.concurrent.ExecutorService • 通用的ExecutorService由抽象類別 AbstractExecutorService實作 – 如果需要執行緒池功能，可以使用子類別 java.util.concurrent.ThreadPoolExec utor 102
- 104. 使用Executor • Executors.newCachedThreadPool()傳回的 ThreadPoolExecutor實例，會在必要時建立執 行緒 – 你的Runnable可能執行在新建的執行緒，或重複利用的 執行緒中 • newFixedThreadPool()可指定在池中建立固定 數量的執行緒 • 這兩個方法也都有接受 java.util.concurrent.ThreadFactory的版 本，你可以在ThreadFactory的newThread()方 法中，實作如何建立Thread實例 104
- 107. 使用Executor 107
- 108. 使用Executor • Future定義的行為讓你在將來取得結果 – 可以將想執行的工作交給Future，Future使用另一執 行緒來進行工作，你就可以先忙別的事去 – 過些時候，再呼叫Future的get()取得結果，如果結果 已經產生，get()會直接返回，否則會進入阻斷直到結 果傳回 – get()的另一版本則可以指定等待結果的時間，若指定 的時間到結果還沒產生，就會丟出 java.util.concurrent.TimeoutException – 以使用Future的isDone()方法，看看結果是否產生 108
- 109. 使用Executor • Future經常與Callable搭配使用 • Callable的作用與Runnable類似，可讓 你定義想要執行的流程 • Runnable的run()方法無法傳回值，也無 法拋出受檢例外，然而Callable的call() 方法可以傳回值，也可以拋出受檢例外 109
- 112. 使用Executor • ScheduledExecutorService為 ExecutorService的子介面，可以讓你進 行工作排程 – schedule()方法用來排定Runnable或 Callable實例延遲多久後執行一次，並傳回 Future子介面ScheduledFuture的實例 – 對於重複性的執行，可使用 scheduleWithFixedDelay()與 scheduleAtFixedRate()方法 112
- 113. 使用Executor • 在一個執行緒只排定一個Runnable實例的情況下 – scheduleWithFixedDelay()方法可排定延遲多久首 次執行Runnable，執行完Runnable會排定延遲多久後 再度執行 – scheduleAtFixedRate()可指定延遲多久首次執行 Runnable，同時依指定週期排定每次執行Runnable的 時間 – 不管是scheduleWithFixedDelay()與 scheduleAtFixedRate()，上次排定的工作拋出例外， 不會影響下次排程的進行 113
- 114. 使用Executor • ScheduledExecutorService的實作類別 ScheduledTreadPoolExecutor為 ThreadPoolExecutor的子類別，具有執行緒池 與排程功能。 – 可以使用Executors的newScheduledThreadPool() 方法指定傳回內建多少個執行緒的 ScheduledTreadPoolExecutor – 使用newSingleThreadScheduledExecutor()則可 使用單一執行緒執行排定的工作 114
- 115. 使用Executor 115
- 116. 使用Executor • Future的另一實作類別 java.util.concurrent.ForkJoinTask及 其子類別，與ExecutorService的實作類 別java.util.concurrent.ForkJoinPool 有關 – 都是JDK7中新增的API，主要目的是在解決分而 治之（Divide and conquer）的問題 116
- 117. 使用ForkJoinPool 117
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- 122. 簡介並行Collection • CopyOnWriteArrayList實作了List介面 – 在寫入操作時（例如add()、set()等），內部會建立 新陣列，並複製原有陣列索引的參考，然後在新陣列上 進行寫入操作，寫入完成後，再將內部原參考舊陣列的 變數參考至新陣列 – 對寫入而言，這是個很耗資源的設計 – 使用迭代器時，寫入不影響迭代器已參考的物件 – 對於一個鮮少進行寫入操作，而使用迭代器頻繁的情境 下，可使用CopyOnWriteArrayList提高迭代器效率 122
- 124. 簡介並行Collection • BlockingQueue是Queue的子介面 – 執行緒若呼叫put()方法，在佇列已滿的情況下 會被阻斷 – 執行緒若呼叫take()方法，在佇列為空的情況 下會被阻斷 124
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- 127. 簡介並行Collection 127