Java多线程之三道多线程练习题

三道多线程练习题

接下来，我们来做三道题：

第一题：现有的程序代码模拟产生了16个日志对象，并且需要运行16秒才能打印完这些日志，请在程序中增加4个线程去调用parseLog()方法来分头打印这16个日志对象，程序只需要运行4秒即可打印完这些日志对象。

public class Test {     public static void main(String[] args) {         System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000));         /*          * 模拟处理16行日志，下面的代码产生了16个日志对象，当前代码需要运行16秒才能打印完这些日志。 修改程序代码，开四个线程让这16个对象在4秒钟打完。          */         for (int i = 0; i < 16; i++) { // 这行代码不能改动             final String log = "" + (i + 1);// 这行代码不能改动             {                 Test.parseLog(log);             }         }     }     // parseLog方法内部的代码不能改动     public static void parseLog(String log) {         System.out.println(log + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000));         try {             Thread.sleep(1000);         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }     } }

分析：因为有两行代码不能动，那我们只能去修改Test.parseLog(log);这部分代码，现在这里是调用静态方法直接去打印日志，现在我们要改成交给4个线程去打印日志。那如果，我们不在Test.parseLog(log);的位置直接调用方法打印，而是直接new 4个线程来打印可以吗？想都不要想，不可以的，我如果在这个地方new 4个线程，它外层还有一个16次的循环，这个循环的代码是不让改的，如果在这个地方new 4个线程就变成了4*16个线程了。只能说，我在for循环的外面去new 4个线程，16个数据放到队列里面，让4个线程去队列里面抓数据。这4个线程肯定不可能放到for循环里面的。肯定是在这个for循环的外面去搞4个线程，而这个for循环外面有4个线程，循环里面要把数据交出去，它怎么把数据交给那四个线程呢？不是直接交过去，除非是间接的，我把数据放在这个框里面，线程呢等会儿自己到那个框里面去取。我无法直接传递到线程的手里。

下面是实现代码：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.BlockingQueue; /**  * 第一题：现有的程序代码模拟产生了16个日志对象，并且需要运行16秒才能打印完这些日志，  * 请在程序中增加4个线程去调用parseLog()方法来分头打印这16个日志对象，程序只需要运行4秒即可打印完这些日志对象。  */ public class Test {     public static void main(String[] args) {         final BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(1);// 声明一个阻塞队列对象，用于在线程间传递数据，队列长度为1         for (int i = 0; i < 4; i++) {//循环创建4个线程             new Thread(new Runnable() {                 @Override                 public void run() {                     while (true) {                         try {                             String log = queue.take();// 取出阻塞队列里面的数据，如果队列中没有数据，线程阻塞                             parseLog(log);// 这个方法内部，线程休息1秒                         } catch (InterruptedException e) {                             e.printStackTrace();                         }                     }                 }             }).start();         }         System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000));         /*          * 模拟处理16行日志，下面的代码产生了16个日志对象，当前代码需要运行16秒才能打印完这些日志。 修改程序代码，开四个线程让这16个对象在4秒钟打完。          */         for (int i = 0; i < 16; i++) { // 这行代码不能改动             final String log = "" + (i + 1);// 这行代码不能改动             {                 try {                     queue.put(log);// 向阻塞队列里面放数据，如果队列已满，线程阻塞                 } catch (InterruptedException e) {                     e.printStackTrace();                 }                 // Test.parseLog(log);             }         }     }     // parseLog方法内部的代码不能改动     public static void parseLog(String log) {         System.out.println(log + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000));         try {             Thread.sleep(1000);         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }     } }

本题的关键点是：1，确定打印日志的4个线程的声明的位置。2，定义一个缓存区实现线程间的数据传递。

接下来，我们看第二道题：

第二题：现成程序中的Test类中的代码在不断地产生数据，然后交给TestDo.doSome()方法去处理，就好像生产者在不断地产生数据，消费者在不断消费数据。请将程序改造成有10个线程来消费生成者产生的数据，这些消费者都调用TestDo.doSome()方法去进行处理，故每个消费者都需要一秒才能处理完，程序应保证这些消费者线程依次有序地消费数据，只有上一个消费者消费完后，下一个消费者才能消费数据，下一个消费者是谁都可以，但要保证这些消费者线程拿到的数据是有顺序的。

public class Test {     public static void main(String[] args) {         System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000));         for (int i = 0; i < 10; i++) { // 这行不能改动             String input = i + ""; // 这行不能改动             String output = TestDo.doSome(input);             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + output);         }     } } // 不能改动此TestDo类 class TestDo {     public static String doSome(String input) {         try {             Thread.sleep(1000);         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }         String output = input + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000);         return output;     } }

要做这道题，我们首先要准备10个线程，这里我们用for循环创建10个线程，然后我们要把String output = TestDo.doSome(input);这个代码放到10个线程里面运行，但这时我们遇到一个问题，如果我们把String output = TestDo.doSome(input);这个代码放到10个线程里面运行，那么这个input变量的值怎么传递到10个线程里面，它是一个循环体中的局部变量，作用范围只在循环体中。此时我们想到再main方法中定义一个阻塞队列SynchronousQueue，用于在线程间传递input变量的值。在生产线程里面向队列放数据，在消费线程里面从队列取数据。但是，这时，我们又遇到了一个问题，题目是要求我们一秒，一秒，依次有序地消费数据。可是我们这样做的效果就是一下子10个消费线程都来取数据，而根据SynchronousQueue队列的特性，它是一个交换队列，当有10个线程来取数而队列里面没有数据的时候，取数的线程就会阻塞，然后cpu就会运行生产线程向里面放数据，这时候生产线程就会循环10次，一下子生产线程和消费线程就完成了10个数据的传递，然后这10个线程几乎同时sleep1秒后，几乎同时醒来，然后就把这10个数据一下子就输出了。就没有达到题目中依次有序的消费数据的目的。为了解决这个问题，我们需要让10个消费线程1个1个依次有序的去取数，所以我们要声明一个信号灯对象，并之在构造方法中初始化一盏灯。也就是说同时只有一个线程能拿到等，能消费。当每个线程要去消费数据的时候，都要先获得灯。10个消费线程中肯定只有一个线程能获得灯，其它没获得灯的消费线程只能阻塞，等待，直到当前获得灯的线程消费完并释放了这盏灯，其它的消费线程再去竞争这盏灯。这就实现了了一个一个依次执行。

import java.util.concurrent.Semaphore; import java.util.concurrent.SynchronousQueue; public class Test {     public static void main(String[] args) {         final Semaphore semaphore = new Semaphore(1);//信号灯         final SynchronousQueue<String> queue = new SynchronousQueue<String>();//同步阻塞队列         for (int i = 0; i < 10; i++) {             new Thread(new Runnable() {                 @Override                 public void run() {                     try {                         semaphore.acquire();                         String input = queue.take();                         String output = TestDo.doSome(input);                         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + output);                         semaphore.release();                     } catch (InterruptedException e) {                         // TODO Auto-generated catch block                         e.printStackTrace();                     }                 }             }).start();         }         System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000));         for (int i = 0; i < 10; i++) { // 这行不能改动             String input = i + ""; // 这行不能改动             try {                 queue.put(input);             } catch (InterruptedException e) {                 // TODO Auto-generated catch block                 e.printStackTrace();             }         }     } } // 不能改动此TestDo类 class TestDo {     public static String doSome(String input) {         try {             Thread.sleep(1000);         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }         String output = input + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000);         return output;     } }

下面我们探讨一下新技术的威力：

一个病人患了一种病，用中科院最牛的医师医治都没治好，这时，美国一个博士发明了一个药，一下就可以治好。现在一小年轻，刚大学毕业就上班，那个患者来了，他说美国有新药，你试不试？那个患者一想，反正活不了多久，试吧。一试，好了！他说，真乃神医也！我以前找中科院的老院士都没看好。想说明一个什么问题呢？新技术的威力，我是没有你开发经验多，但是我知道这些新技术，现在遇到一个问题呢，我正好知道有一个新技术可以解决这个问题，你们不知道，你们还在那里苦思冥想，还迟迟拿不出方案，这样看来，新技术也不是说没有用，是不是？有时候能很好地解决问题。

接下来我们来看第三道题：

第三题：现有程序同时启动了4个线程去调用TestDo.doSome(key, value)方法，由于TestDo.doSome(key, value)方法内的代码是先暂停1秒，然后再输出以秒为单位的当前时间值，所以，会打印出4个相同的时间值，如下所示：

                   4:4:1258199615

                   1:1:1258199615

                   3:3:1258199615

                   1:2:1258199615

        请修改代码，如果有几个线程调用TestDo.doSome(key, value)方法时，传递进去的key相等（equals比较为true），则这几个线程应互斥排队输出结果，即当有两个线程的key都是"1"时，它们中的一个要比另外其他线程晚1秒输出结果，如下所示：

                   4:4:1258199615

                   1:1:1258199615

                   3:3:1258199615

                   1:2:1258199616

           总之，当每个线程中指定的key相等时，这些相等key的线程应每隔一秒依次输出时间值（要用互斥），如果key不同，则并行执行（相互之间不互斥）。

//不能改动此Test类    public class Test extends Thread {     private TestDo testDo;     private String key;     private String value;     public Test(String key, String key2, String value) {         this.testDo = TestDo.getInstance();         /*          * 常量"1"和"1"是同一个对象，下面这行代码就是要用"1"+""的方式产生新的对象， 以实现内容没有改变，仍然相等（都还为"1"），但对象却不再是同一个的效果          */         this.key = key + key2;         this.value = value;     }     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {         Test a = new Test("1", "", "1");         Test b = new Test("1", "", "2");         Test c = new Test("3", "", "3");         Test d = new Test("4", "", "4");         System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000));         a.start();         b.start();         c.start();         d.start();     }     public void run() {         testDo.doSome(key, value);     } } class TestDo {     private TestDo() {     }     private static TestDo _instance = new TestDo();     public static TestDo getInstance() {         return _instance;     }     public void doSome(Object key, String value) {         // 以大括号内的是需要局部同步的代码，不能改动!         {             try {                 Thread.sleep(1000);                 System.out.println(key + ":" + value + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000));             } catch (InterruptedException e) {                 e.printStackTrace();             }         }     } }

分析：首先，我们想通过在doSome方法里面加上synchronized同步代码块，以参数key作为对象锁来实现如果key相同，就互斥。但是这里有一个前提相等的key要是同一个对象。两个key的值相等与两个key是否是同一个对象，这是两码事。因为key的实际对象类型是String类型的，如果我们对两个key传递的都是同一个字面常量的话，它们在常量池中的地址是同一个，也就是说，是同一个对象。但是，在各个代码里面，当我们创建Test对象的时候，Test的构造方法里面并不是直接把参数key的值赋给成员变量key，而是执行了一个变量的相加运算，然后再赋给了成员变量key, this.key = key + key2;,那么它此时等于是说，并不是直接把字面常量对象(即字符串值)的引用赋给了成员变量key,而是执行了一个变量相加的操作，这样就产生了中间对象，那么这个相加的表达式就得到了一个新的对象，然后赋值给了成员变量key。也就是说，如果两次传入的key和key2都是”1”和””,虽然它们运算的结果值是一样的，在常量词引用了同一个字面常量，但是这个表达式得到的并不直接是那个字面常量的引用，而是在堆中新创建了一个String对象，然后内部的值引用了同一个字面常量。类实于new String(“1”);,所以得到的不是同一个对象。既然不是同一个对象，就不是同一把锁，不是同一把锁就不能互斥。如果this.key = key + key2;这个表达式后面用的不是两个变量，而直接是两个字面常量会如何呢？比如String a = “1”+””;String b = “1”+””;这时候请问a和b是指向同一个对象吗？这时候就是指向同一个对象了。因为它们后面做的是两个已知的常量相加，编译器在编译的时候，直接就把代码优化成了String a = “1”; String b = “1”;，当编译成字节码的时候，这里就没有加法运算了。而this.key = key + key2;这个表达式，编译器没有办法优化，因为key和key2是两个变量，它们的值只有在程序在内存中运行的时候才会知道，而且是随着程序的运行可以变动的，编译器在编译的时候根本不知道它将来会是什么值。所以编译器无法优化。

那么，现在我们怎么来解决这个问题呢？这时候我们需要一个容器，我们创建一个ArrayList对象，这个对象用来存放每个线程调用doSome方法时传进来的key,每次线程调用doSome方法时，我们都现在方法里面判断容器中是否有包含值一样的key,如果没有，把这个key存进容器，如果包含，则取出容器中的那个值一样的key,把它赋给引用变量。这样就达到了，这两个值一样的参数就用同一个对象来表示，把这个引用变量作为synchronized关键字的对象锁，这样就做大了，key值不同的线程不互斥，key值相同的线程互斥的效果。

注意，这里我们再来讨论另一个问题，就是当我们使用集合的iterator迭代器迭代的时候，不可以一个线程在迭代，另一个线程同时又在调用集合的add方法，向集合中添加元素。否则会抛异常java.util.ConcurrentModificationException，这个异常是在执行迭代器的next()方法时抛出的。而且这个异常很难发现，它是偶尔才会抛异常，多数时候正常执行。这时我们的解决方案就是把ArrayList容器改为适合线程并发访问的CopyOnWriteArrayList容器。

import java.util.Iterator; import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList; //不能改动此Test类    public class Test extends Thread {     private TestDo testDo;     private String key;     private String value;     public Test(String key, String key2, String value) {         this.testDo = TestDo.getInstance();         /*          * 常量"1"和"1"是同一个对象，下面这行代码就是要用"1"+""的方式产生新的对象， 以实现内容没有改变，仍然相等（都还为"1"），但对象却不再是同一个的效果          */         this.key = key + key2;         /*          * a = "1"+""; b = "1"+""          */         this.value = value;     }     public void run() {         testDo.doSome(key, value);     }     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {         Test a = new Test("1", "", "1");         Test b = new Test("1", "", "2");         Test c = new Test("3", "", "3");         Test d = new Test("4", "", "4");         System.out.println("begin:" + (System.currentTimeMillis() / 1000));         a.start();         b.start();         c.start();         d.start();     } } class TestDo {     private TestDo() {     }     private static TestDo _instance = new TestDo();     public static TestDo getInstance() {         return _instance;     }     // private ArrayList keys = new ArrayList();     private CopyOnWriteArrayList keys = new CopyOnWriteArrayList();     public void doSome(Object key, String value) {         Object o = key;         if (!keys.contains(o)) {             keys.add(o);         } else {             /*              * 当在进行迭代的线程迭代还没有完成，另外一个线程又在执行keys.add(o);的时候，用ArrayList容器会抛出并发修改异常。              * 因为操作的容器对象是同一个，当执行keys              * .add(o);时，容器的版本号发生了改变，++了，而keys.iterator();获得迭代器时，它的预期版本号是等于容器的版本号的。              * 而现在又没有去重新获取迭代器对象。现在迭代器对象去执行next方法时，会检查迭代器的预期版本号和容器的版本号是否相等，不想等就会抛出异常。              * 因为本身ArrayList容器的设计就是不支持一边迭代，一边修改容器的。所以我们改用了支持并发访问的CopyOnWriteArrayList容器              */             for (Iterator iter = keys.iterator(); iter.hasNext();) {                 Object oo = iter.next();                 if (oo.equals(o)) {                     o = oo;                     break;                 }             }         }         synchronized (o)         // 以大括号内的是需要局部同步的代码，不能改动!         {             try {                 Thread.sleep(1000);                 System.out.println(key + ":" + value + ":" + (System.currentTimeMillis() / 1000));             } catch (InterruptedException e) {                 e.printStackTrace();             }         }     } }