JAVA多线程的应用场景和应用目的举例

小鱼儿 2022-06-05 03:36 188阅读 0赞

多线程使用的主要目的在于：  
  
1、吞吐量：你做WEB，容器帮你做了多线程，但是他只能帮你做请求层面的。简单的说，可能就是一个请求一个线程。或多个请求一个线程。如果是单线程，那同时只能处理一个用户的请求。  
  
2、伸缩性：也就是说，你可以通过增加CPU核数来提升性能。如果是单线程，那程序执行到死也就利用了单核，肯定没办法通过增加CPU核数来提升性能。  
  
鉴于你是做WEB的，第1点可能你几乎不涉及。那这里我就讲第二点吧。  
  
\--举个简单的例子：  
假设有个请求，这个请求服务端的处理需要执行3个很缓慢的IO操作（比如数据库查询或文件查询），那么正常的顺序可能是（括号里面代表执行时间）：  
a、读取文件1  （10ms）  
b、处理1的数据（1ms）  
c、读取文件2  （10ms）  
d、处理2的数据（1ms）  
e、读取文件3  （10ms）  
f、处理3的数据（1ms）  
g、整合1、2、3的数据结果 （1ms）  
单线程总共就需要34ms。  
那如果你在这个请求内，把ab、cd、ef分别分给3个线程去做，就只需要12ms了。  
  
所以多线程不是没怎么用，而是，你平常要善于发现一些可优化的点。然后评估方案是否应该使用。  
假设还是上面那个相同的问题：但是每个步骤的执行时间不一样了。  
a、读取文件1  （1ms）  
b、处理1的数据（1ms）  
c、读取文件2  （1ms）  
d、处理2的数据（1ms）  
e、读取文件3  （28ms）  
f、处理3的数据（1ms）  
g、整合1、2、3的数据结果 （1ms）  
单线程总共就需要34ms。  
如果还是按上面的划分方案（上面方案和木桶原理一样，耗时取决于最慢的那个线程的执行速度），在这个例子中是第三个线程，执行29ms。那么最后这个请求耗时是30ms。比起不用单线程，就节省了4ms。但是有可能线程调度切换也要花费个1、2ms。因此，这个方案显得优势就不明显了，还带来程序复杂度提升。不太值得。  
  
那么现在优化的点，就不是第一个例子那样的任务分割多线程完成。而是优化文件3的读取速度。  
可能是采用缓存和减少一些重复读取。  
首先，假设有一种情况，所有用户都请求这个请求，那其实相当于所有用户都需要读取文件3。那你想想，100个人进行了这个请求，相当于你花在读取这个文件上的时间就是28×100=2800ms了。那么，如果你把文件缓存起来，那只要第一个用户的请求读取了，第二个用户不需要读取了，从内存取是很快速的，可能1ms都不到。  
  
伪代码：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> 
    <div>
      5 
    </div> 
    <div>
      6 
    </div> 
    <div>
      7 
    </div> 
    <div>
      8 
    </div> 
    <div>
      9 
    </div> 
    <div>
      10 
    </div> 
    <div>
      11 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>public</code>&nbsp; 
      <code>class</code>&nbsp; 
      <code>MyServlet&nbsp;</code> 
      <code>extends</code>&nbsp; 
      <code>Servlet{ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>static</code>&nbsp; 
      <code>Map&lt;String,&nbsp;String&gt;&nbsp;fileName2Data&nbsp;=&nbsp;</code> 
      <code>new</code>&nbsp; 
      <code>HashMap&lt;String,&nbsp;String&gt;();</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>void</code>&nbsp; 
      <code>processFile3(String&nbsp;fName){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>String&nbsp;data&nbsp;=&nbsp;fileName2Data.get(fName);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>if</code> 
      <code>(data==</code> 
      <code>null</code> 
      <code>){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>data&nbsp;=&nbsp;readFromFile(fName);&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>//耗时28ms</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>fileName2Data.put(fName,&nbsp;data);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>//process&nbsp;with&nbsp;data</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>}</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

看起来好像还不错，建立一个文件名和文件数据的映射。如果读取一个map中已经存在的数据，那么就不不用读取文件了。  
可是问题在于，Servlet是并发，上面会导致一个很严重的问题，死循环。因为，HashMap在并发修改的时候，可能是导致循环链表的构成！！！（具体你可以自行阅读HashMap源码）如果你没接触过多线程，可能到时候发现服务器没请求也巨卡，也不知道什么情况！  
好的，那就用ConcurrentHashMap，正如他的名字一样，他是一个线程安全的HashMap，这样能轻松解决问题。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> 
    <div>
      5 
    </div> 
    <div>
      6 
    </div> 
    <div>
      7 
    </div> 
    <div>
      8 
    </div> 
    <div>
      9 
    </div> 
    <div>
      10 
    </div> 
    <div>
      11 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>public</code>&nbsp; 
      <code>class</code>&nbsp; 
      <code>MyServlet&nbsp;</code> 
      <code>extends</code>&nbsp; 
      <code>Servlet{ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>static</code>&nbsp; 
      <code>ConcurrentHashMap&lt;String,&nbsp;String&gt;&nbsp;fileName2Data&nbsp;=&nbsp;</code> 
      <code>new</code>&nbsp; 
      <code>ConcurrentHashMap&lt;String,&nbsp;String&gt;();</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>void</code>&nbsp; 
      <code>processFile3(String&nbsp;fName){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>String&nbsp;data&nbsp;=&nbsp;fileName2Data.get(fName);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>if</code> 
      <code>(data==</code> 
      <code>null</code> 
      <code>){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>data&nbsp;=&nbsp;readFromFile(fName);&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>//耗时28ms</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>fileName2Data.put(fName,&nbsp;data);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>//process&nbsp;with&nbsp;data</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>}</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这样真的解决问题了吗，这样虽然只要有用户访问过文件a，那另一个用户想访问文件a，也会从fileName2Data中拿数据，然后也不会引起死循环。  
  
可是，如果你觉得这样就已经完了，那你把多线程也想的太简单了，骚年！  
你会发现，1000个用户首次访问同一个文件的时候，居然读取了1000次文件（这是最极端的，可能只有几百）。What the fuckin hell!!!  
  
难道代码错了吗，难道我就这样过我的一生！  
  
好好分析下。Servlet是多线程的，那么

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> 
    <div>
      5 
    </div> 
    <div>
      6 
    </div> 
    <div>
      7 
    </div> 
    <div>
      8 
    </div> 
    <div>
      9 
    </div> 
    <div>
      10 
    </div> 
    <div>
      11 
    </div> 
    <div>
      12 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>public</code>&nbsp; 
      <code>class</code>&nbsp; 
      <code>MyServlet&nbsp;</code> 
      <code>extends</code>&nbsp; 
      <code>Servlet{ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>static</code>&nbsp; 
      <code>ConcurrentHashMap&lt;String,&nbsp;String&gt;&nbsp;fileName2Data&nbsp;=&nbsp;</code> 
      <code>new</code>&nbsp; 
      <code>ConcurrentHashMap&lt;String,&nbsp;String&gt;();</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>void</code>&nbsp; 
      <code>processFile3(String&nbsp;fName){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>String&nbsp;data&nbsp;=&nbsp;fileName2Data.get(fName);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>//“偶然”--&nbsp;1000个线程同时到这里，同时发现data为null</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>if</code> 
      <code>(data==</code> 
      <code>null</code> 
      <code>){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>data&nbsp;=&nbsp;readFromFile(fName);&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>//耗时28ms</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>fileName2Data.put(fName,&nbsp;data);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>//process&nbsp;with&nbsp;data</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>}</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

上面注释的“偶然”，这是完全有可能的，因此，这样做还是有问题。  
  
因此，可以自己简单的封装一个任务来处理。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> 
    <div>
      5 
    </div> 
    <div>
      6 
    </div> 
    <div>
      7 
    </div> 
    <div>
      8 
    </div> 
    <div>
      9 
    </div> 
    <div>
      10 
    </div> 
    <div>
      11 
    </div> 
    <div>
      12 
    </div> 
    <div>
      13 
    </div> 
    <div>
      14 
    </div> 
    <div>
      15 
    </div> 
    <div>
      16 
    </div> 
    <div>
      17 
    </div> 
    <div>
      18 
    </div> 
    <div>
      19 
    </div> 
    <div>
      20 
    </div> 
    <div>
      21 
    </div> 
    <div>
      22 
    </div> 
    <div>
      23 
    </div> 
    <div>
      24 
    </div> 
    <div>
      25 
    </div> 
    <div>
      26 
    </div> 
    <div>
      27 
    </div> 
    <div>
      28 
    </div> 
    <div>
      29 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>public</code>&nbsp; 
      <code>class</code>&nbsp; 
      <code>MyServlet&nbsp;</code> 
      <code>extends</code>&nbsp; 
      <code>Servlet{ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>static</code>&nbsp; 
      <code>ConcurrentHashMap&lt;String,&nbsp;FutureTask&gt;&nbsp;fileName2Data&nbsp;=&nbsp;</code> 
      <code>new</code>&nbsp; 
      <code>ConcurrentHashMap&lt;String,&nbsp;FutureTask&gt;();</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>static</code>&nbsp; 
      <code>ExecutorService&nbsp;exec&nbsp;=&nbsp;Executors.newCacheThreadPool();</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>void</code>&nbsp; 
      <code>processFile3(String&nbsp;fName){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>FutureTask&nbsp;data&nbsp;=&nbsp;fileName2Data.get(fName);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>//“偶然”--&nbsp;1000个线程同时到这里，同时发现data为null</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>if</code> 
      <code>(data==</code> 
      <code>null</code> 
      <code>){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>data&nbsp;=&nbsp;newFutureTask(fName);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>FutureTask&nbsp;old&nbsp;=&nbsp;fileName2Data.putIfAbsent(fName,&nbsp;data);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>if</code> 
      <code>(old==</code> 
      <code>null</code> 
      <code>){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>data&nbsp;=&nbsp;old;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
      <code>else</code> 
      <code>{ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>exec.execute(data);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>String&nbsp;d&nbsp;=&nbsp;data.get();</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>//process&nbsp;with&nbsp;data</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code>&nbsp; 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>FutureTask&nbsp;newFutureTask(</code> 
      <code>final</code>&nbsp; 
      <code>String&nbsp;file){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>return</code>&nbsp;&nbsp; 
      <code>new</code>&nbsp; 
      <code>FutureTask(</code> 
      <code>new</code>&nbsp; 
      <code>Callable&lt;String&gt;(){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>public</code>&nbsp; 
      <code>String&nbsp;call(){ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>return</code>&nbsp; 
      <code>readFromFile(file);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>}</code> 
     </div> 
     <div>
       &nbsp; 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>private</code>&nbsp; 
      <code>String&nbsp;readFromFile(String&nbsp;file){ </code> 
      <code>return</code>&nbsp; 
      <code>""</code> 
      <code>;}</code> 
     </div> 
     <div> 
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</table>

以上所有代码都是直接在bbs打出来的，不保证可以直接运行。

多线程最多的场景：web服务器本身；各种专用服务器（如游戏服务器）；  
多线程的常见应用场景：  
1、后台任务，例如：定时向大量（100w以上）的用户发送邮件；  
2、异步处理，例如：发微博、记录日志等；  
3、分布式计算

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