详解Java编程中线程同步以及定时启动线程的方法

使用wait()与notify()实现线程间协作
1. wait()与notify()/notifyAll()
调用sleep()和yield()的时候锁并没有被释放，而调用wait()将释放锁。这样另一个任务（线程）可以获得当前对象的锁，从而进入它的synchronized方法中。可以通过notify()/notifyAll()，或者时间到期，从wait()中恢复执行。
只能在同步控制方法或同步块中调用wait()、notify()和notifyAll()。如果在非同步的方法里调用这些方法，在运行时会抛出IllegalMonitorStateException异常。
2.模拟单个线程对多个线程的唤醒
模拟线程之间的协作。Game类有2个同步方法prepare()和go()。标志位start用于判断当前线程是否需要wait()。Game类的实例首先启动所有的Athele类实例，使其进入wait()状态，在一段时间后，改变标志位并notifyAll()所有处于wait状态的Athele线程。
Game.java

package concurrency;import java.util.Collection;import java.util.Collections;import java.util.HashSet;import java.util.Iterator;import java.util.Set;class Athlete implements Runnable {  private final int id;  private Game game;  public Athlete(int id, Game game) {   this.id = id;   this.game = game;  }  public boolean equals(Object o) {   if (!(o instanceof Athlete))    return false;   Athlete athlete = (Athlete) o;   return id == athlete.id;  }  public String toString() {   return "Athlete<" + id + ">";  }  public int hashCode() {   return new Integer(id).hashCode();  }  public void run() {   try {    game.prepare(this);   } catch (InterruptedException e) {    System.out.println(this + " quit the game");   }  } }public class Game implements Runnable {  private Set<Athlete> players = new HashSet<Athlete>();  private boolean start = false;  public void addPlayer(Athlete one) {   players.add(one);  }  public void removePlayer(Athlete one) {   players.remove(one);  }  public Collection<Athlete> getPlayers() {   return Collections.unmodifiableSet(players);  }  public void prepare(Athlete athlete) throws InterruptedException {   System.out.println(athlete + " ready!");   synchronized (this) {    while (!start)    wait();    if (start)     System.out.println(athlete + " go!");   }  }  public synchronized void go() {   notifyAll();  }    public void ready() {   Iterator<Athlete> iter = getPlayers().iterator();   while (iter.hasNext())    new Thread(iter.next()).start();  }  public void run() {   start = false;   System.out.println("Ready......");   System.out.println("Ready......");   System.out.println("Ready......");   ready();   start = true;   System.out.println("Go!");   go();  }  public static void main(String[] args) {   Game game = new Game();   for (int i = 0; i < 10; i++)    game.addPlayer(new Athlete(i, game));   new Thread(game).start();  }}

结果：

Ready......Ready......Ready......Athlete<0> ready!Athlete<1> ready!Athlete<2> ready!Athlete<3> ready!Athlete<4> ready!Athlete<5> ready!Athlete<6> ready!Athlete<7> ready!Athlete<8> ready!Athlete<9> ready!Go!Athlete<9> go!Athlete<8> go!Athlete<7> go!Athlete<6> go!Athlete<5> go!Athlete<4> go!Athlete<3> go!Athlete<2> go!Athlete<1> go!Athlete<0> go!

3.模拟忙等待过程
MyObject类的实例是被观察者，当观察事件发生时，它会通知一个Monitor类的实例（通知的方式是改变一个标志位）。而此Monitor类的实例是通过忙等待来不断的检查标志位是否变化。
BusyWaiting.java

import java.util.concurrent.TimeUnit;class MyObject implements Runnable {  private Monitor monitor;  public MyObject(Monitor monitor) {   this.monitor = monitor;  }  public void run() {   try {    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);    System.out.println("i'm going.");    monitor.gotMessage();   } catch (InterruptedException e) {    e.printStackTrace();   }  }}class Monitor implements Runnable {  private volatile boolean go = false;  public void gotMessage() throws InterruptedException {   go = true;  }  public void watching() {   while (go == false)    ;   System.out.println("He has gone.");  }  public void run() {   watching();  }}public class BusyWaiting {  public static void main(String[] args) {   Monitor monitor = new Monitor();   MyObject o = new MyObject(monitor);   new Thread(o).start();   new Thread(monitor).start();  }}

结果：

i'm going.He has gone.

4.使用wait()与notify()改写上面的例子
下面的例子通过wait()来取代忙等待机制，当收到通知消息时，notify当前Monitor类线程。
Wait.java

package concurrency.wait;import java.util.concurrent.TimeUnit;class MyObject implements Runnable {  private Monitor monitor;  public MyObject(Monitor monitor) {   this.monitor = monitor;  }

定时启动线程
这里提供两种在指定时间后启动线程的方法。一是通过java.util.concurrent.DelayQueue实现；二是通过java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor实现。
1. java.util.concurrent.DelayQueue
类DelayQueue是一个无界阻塞队列，只有在延迟期满时才能从中提取元素。它接受实现Delayed接口的实例作为元素。
<<interface>>Delayed.java

package java.util.concurrent;import java.util.*;public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {  long getDelay(TimeUnit unit);}

getDelay()返回与此对象相关的剩余延迟时间，以给定的时间单位表示。此接口的实现必须定义一个 compareTo 方法，该方法提供与此接口的 getDelay 方法一致的排序。

DelayQueue队列的头部是延迟期满后保存时间最长的 Delayed 元素。当一个元素的getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) 方法返回一个小于等于 0 的值时，将发生到期。
2.设计带有时间延迟特性的队列
类DelayedTasker维护一个DelayQueue<DelayedTask> queue，其中DelayedTask实现了Delayed接口，并由一个内部类定义。外部类和内部类都实现Runnable接口，对于外部类来说，它的run方法是按定义的时间先后取出队列中的任务，而这些任务即内部类的实例，内部类的run方法定义每个线程具体逻辑。

这个设计的实质是定义了一个具有时间特性的线程任务列表，而且该列表可以是任意长度的。每次添加任务时指定启动时间即可。
DelayedTasker.java

package com.zj.timedtask;import static java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS;import static java.util.concurrent.TimeUnit.NANOSECONDS;import java.util.Collection;import java.util.Collections;import java.util.Random;import java.util.concurrent.DelayQueue;import java.util.concurrent.Delayed;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.TimeUnit;public class DelayedTasker implements Runnable {  DelayQueue<DelayedTask> queue = new DelayQueue<DelayedTask>();  public void addTask(DelayedTask e) {    queue.put(e);  }  public void removeTask() {    queue.poll();  }  public Collection<DelayedTask> getAllTasks() {    return Collections.unmodifiableCollection(queue);  }  public int getTaskQuantity() {    return queue.size();  }  public void run() {    while (!queue.isEmpty())      try {       queue.take().run();      } catch (InterruptedException e) {       System.out.println("Interrupted");      }    System.out.println("Finished DelayedTask");  }  public static class DelayedTask implements Delayed, Runnable {    private static int counter = 0;    private final int id = counter++;    private final int delta;    private final long trigger;    public DelayedTask(int delayInSeconds) {      delta = delayInSeconds;      trigger = System.nanoTime() + NANOSECONDS.convert(delta, SECONDS);    }    public long getDelay(TimeUnit unit) {      return unit.convert(trigger - System.nanoTime(), NANOSECONDS);    }    public int compareTo(Delayed arg) {      DelayedTask that = (DelayedTask) arg;      if (trigger < that.trigger)       return -1;      if (trigger > that.trigger)       return 1;      return 0;    }    public void run() {      //run all that you want to do      System.out.println(this);    }    public String toString() {      return "[" + delta + "s]" + "Task" + id;    }  }  public static void main(String[] args) {    Random rand = new Random();    ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();    DelayedTasker tasker = new DelayedTasker();    for (int i = 0; i < 10; i++)      tasker.addTask(new DelayedTask(rand.nextInt(5)));    exec.execute(tasker);    exec.shutdown();  }}

结果：

[0s]Task 1[0s]Task 2[0s]Task 3[1s]Task 6[2s]Task 5[3s]Task 8[4s]Task 0[4s]Task 4[4s]Task 7[4s]Task 9Finished DelayedTask

3. java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor
该类可以另行安排在给定的延迟后运行任务（线程），或者定期（重复）执行任务。在构造子中需要知道线程池的大小。最主要的方法是：

[1] schedule
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay,TimeUnit unit)
创建并执行在给定延迟后启用的一次性操作。
指定者：
-接口 ScheduledExecutorService 中的 schedule;
参数：
-command - 要执行的任务 ;
-delay - 从现在开始延迟执行的时间 ;
-unit - 延迟参数的时间单位 ;
返回：
-表示挂起任务完成的 ScheduledFuture，并且其 get() 方法在完成后将返回 null。

[2] scheduleAtFixedRate
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(
Runnable command,long initialDelay,long period,TimeUnit unit)
创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作，后续操作具有给定的周期；也就是将在 initialDelay 后开始执行，然后在 initialDelay+period 后执行，接着在 initialDelay + 2 * period 后执行，依此类推。如果任务的任何一个执行遇到异常，则后续执行都会被取消。否则，只能通过执行程序的取消或终止方法来终止该任务。如果此任务的任何一个执行要花费比其周期更长的时间，则将推迟后续执行，但不会同时执行。
指定者：
-接口 ScheduledExecutorService 中的 scheduleAtFixedRate;
参数：
-command - 要执行的任务 ;
-initialDelay - 首次执行的延迟时间 ;
-period - 连续执行之间的周期 ;
-unit - initialDelay 和 period 参数的时间单位 ;
返回：
-表示挂起任务完成的 ScheduledFuture，并且其 get() 方法在取消后将抛出异常。
4.设计带有时间延迟特性的线程执行者
类ScheduleTasked关联一个ScheduledThreadPoolExcutor，可以指定线程池的大小。通过schedule方法知道线程及延迟的时间，通过shutdown方法关闭线程池。对于具体任务（线程）的逻辑具有一定的灵活性（相比前一中设计，前一种设计必须事先定义线程的逻辑，但可以通过继承或装饰修改线程具体逻辑设计）。
ScheduleTasker.java

package com.zj.timedtask;import java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor;import java.util.concurrent.TimeUnit;public class ScheduleTasker {  private int corePoolSize = 10;  ScheduledThreadPoolExecutor scheduler;  public ScheduleTasker() {    scheduler = new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);  }  public ScheduleTasker(int quantity) {    corePoolSize = quantity;    scheduler = new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);  }  public void schedule(Runnable event, long delay) {    scheduler.schedule(event, delay, TimeUnit.SECONDS);  }  public void shutdown() {    scheduler.shutdown();  }  public static void main(String[] args) {    ScheduleTasker tasker = new ScheduleTasker();    tasker.schedule(new Runnable() {      public void run() {       System.out.println("[1s]Task 1");      }    }, 1);    tasker.schedule(new Runnable() {      public void run() {       System.out.println("[2s]Task 2");      }    }, 2);    tasker.schedule(new Runnable() {      public void run() {       System.out.println("[4s]Task 3");      }    }, 4);    tasker.schedule(new Runnable() {      public void run() {       System.out.println("[10s]Task 4");      }    }, 10);    tasker.shutdown();  }}

结果：

[1s]Task 1[2s]Task 2[4s]Task 3[10s]Task 4  public void run() {   try {    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);    System.out.println("i'm going.");    monitor.gotMessage();   } catch (InterruptedException e) {    e.printStackTrace();   }  }}

class Monitor implements Runnable {  private volatile boolean go = false;  public synchronized void gotMessage() throws InterruptedException {   go = true;   notify();  }  public synchronized void watching() throws InterruptedException {   while (go == false)    wait();   System.out.println("He has gone.");  }  public void run() {   try {    watching();   } catch (InterruptedException e) {    e.printStackTrace();   }  }}public class Wait {  public static void main(String[] args) {   Monitor monitor = new Monitor();   MyObject o = new MyObject(monitor);   new Thread(o).start();   new Thread(monitor).start();  }}

结果：

i'm going.He has gone.