引用
前几天在网上看到一个淘宝的面试题：有一个很大的整数list，需要求这个list中所有整数的和，写一个可以充分利用多核CPU的代码，来计算结果。
一：分析题目
从题中可以看到“很大的List”以及“充分利用多核CPU”，这就已经充分告诉我们要采用多线程(任务)进行编写。具体怎么做呢？大概的思路就是分割List，每一小块的List采用一个线程(任务)进行计算其和，最后等待所有的线程(任务)都执行完后就可得到这个“很大的List”中所有整数的和。
二：具体分析和技术方案
既然我们已经决定采用多线程(任务)，并且还要分割List，每一小块的List采用一个线程(任务)进行计算其和，那么我们必须要等待所有的线程(任务)完成之后才能得到正确的结果，那么怎么才能保证“等待所有的线程(任务)完成之后输出结果呢”？这就要靠java.util.concurrent包中的CyclicBarrier类了。它是一个同步辅助类，它允许一组线程(任务)互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程(任务)的程序中，这些线程(任务)必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。简单的概括其适应场景就是：当一组线程(任务)并发的执行一件工作的时候，必须等待所有的线程(任务)都完成时才能进行下一个步骤。具体技术方案步骤如下：
一：分析题目
从题中可以看到“很大的List”以及“充分利用多核CPU”，这就已经充分告诉我们要采用多线程(任务)进行编写。具体怎么做呢？大概的思路就是分割List，每一小块的List采用一个线程(任务)进行计算其和，最后等待所有的线程(任务)都执行完后就可得到这个“很大的List”中所有整数的和。
二：具体分析和技术方案
既然我们已经决定采用多线程(任务)，并且还要分割List，每一小块的List采用一个线程(任务)进行计算其和，那么我们必须要等待所有的线程(任务)完成之后才能得到正确的结果，那么怎么才能保证“等待所有的线程(任务)完成之后输出结果呢”？这就要靠java.util.concurrent包中的CyclicBarrier类了。它是一个同步辅助类，它允许一组线程(任务)互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程(任务)的程序中，这些线程(任务)必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。简单的概括其适应场景就是：当一组线程(任务)并发的执行一件工作的时候，必须等待所有的线程(任务)都完成时才能进行下一个步骤。具体技术方案步骤如下：
- 分割List，根据采用的线程(任务)数平均分配，即list.size()/threadCounts。
- 定义一个记录“很大List”中所有整数和的变量sum，采用一个线程(任务)处理一个分割后的子List，计算子List中所有整数和(subSum)，然后把和(subSum)累加到sum上。
- 等待所有线程(任务)完成后输出总和(sum)的值。
示意图如下： （Edraw）
三：详细编码实现
代码中有很详细的注释，这里就不解释了。
/**
* 计算List中所有整数的和<br>
* 采用多线程，分割List计算
*/
public class CountListIntegerSum {
private long sum;//存放整数的和
private CyclicBarrier barrier;//障栅集合点(同步器)
private List<Integer> list;//整数集合List
private int threadCounts;//使用的线程数
public CountListIntegerSum(List<Integer> list,int threadCounts) {
this.list=list;
this.threadCounts=threadCounts;
}
/**
* 获取List中所有整数的和
* @return
*/
public long getIntegerSum(){
ExecutorService exec=Executors.newFixedThreadPool(threadCounts);
int len=list.size()/threadCounts;//平均分割List
//List中的数量没有线程数多（很少存在）
if(len==0){
threadCounts=list.size();//采用一个线程处理List中的一个元素
len=list.size()/threadCounts;//重新平均分割List
}
barrier=new CyclicBarrier(threadCounts+1);
for(int i=0;i<threadCounts;i++){
//创建线程任务
if(i==threadCounts-1){//最后一个线程承担剩下的所有元素的计算
exec.execute(new SubIntegerSumTask(list.subList(i*len,list.size())));
}else{
exec.execute(new SubIntegerSumTask(list.subList(i*len, len*(i+1)>list.size()?list.size():len*(i+1))));
}
}
try {
barrier.await();//关键，使该线程在障栅处等待，直到所有的线程都到达障栅处
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":Interrupted");
} catch (BrokenBarrierException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":BrokenBarrier");
}
exec.shutdown();
return sum;
}
/**
* 分割计算List整数和的线程任务
*
*/
public class SubIntegerSumTask implements Runnable{
private List<Integer> subList;
public SubIntegerSumTask(List<Integer> subList) {
this.subList=subList;
}
public void run() {
long subSum=0L;
for (Integer i : subList) {
subSum += i;
}
synchronized(CountListIntegerSum.this){//在CountListIntegerSum对象上同步
sum+=subSum;
}
try {
barrier.await();//关键，使该线程在障栅处等待，直到所有的线程都到达障栅处
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":Interrupted");
} catch (BrokenBarrierException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":BrokenBarrier");
}
System.out.println("分配给线程："+Thread.currentThread().getName()+"那一部分List的整数和为：\tSubSum:"+subSum);
} } }
有人可能对barrier=new CyclicBarrier(threadCounts+1);//创建的线程数和主线程main有点不解，不是采用的线程(任务)数是threadCounts个吗？怎么为CyclicBarrier设置的给定数量的线程参与者比我们要采用的线程数多一个呢？
答案就是这个多出来的一个用于控制main主线程的，主线程也要等待，它要等待其他所有的线程完成才能输出sum值，这样才能保证sum值的正确性，如果main不等待的话，那么结果将是不可预料的。
/**
* 计算List中所有整数的和测试类
*/
public class CountListIntegerSumMain { /**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
int threadCounts = 10;//采用的线程数
//生成的List数据
for (int i = 1; i <= 1000000; i++) {
list.add(i);
}
CountListIntegerSum countListIntegerSum=new CountListIntegerSum(list,threadCounts);
long sum=countListIntegerSum.getIntegerSum();
System.out.println("List中所有整数的和为:"+sum);
} }
四：总结
本文主要通过一个淘宝的面试题为引子，介绍了并发的一点小知识，主要是介绍通过CyclicBarrier同步辅助器辅助多个并发任务共同完成一件工作。Java SE5的java.util.concurrent引入了大量的设计来解决并发问题，使用它们有助于我们编写更加简单而健壮的并发程序。
附mathfox提到的ExecutorService.invokeAll()方法的实现
这个不用自己控制等待，invokeAll执行给定的任务，当所有任务完成时，返回保持任务状态和结果的 Future 列表。sdh5724也说用了同步，性能不好。这个去掉了同步，根据返回结果的 Future 列表相加就得到总和了。
/**
* 使用ExecutorService的invokeAll方法计算
*
*/
public class CountSumWithCallable { /**
* @param args
* @throws InterruptedException
* @throws ExecutionException
*/
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
int threadCounts =19;//使用的线程数
long sum=0;
ExecutorService exec=Executors.newFixedThreadPool(threadCounts);
List<Callable<Long>> callList=new ArrayList<Callable<Long>>();
//生成很大的List
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (int i = 0; i <= 1000000; i++) {
list.add(i);
}
int len=list.size()/threadCounts;//平均分割List
//List中的数量没有线程数多（很少存在）
if(len==0){
threadCounts=list.size();//采用一个线程处理List中的一个元素
len=list.size()/threadCounts;//重新平均分割List
}
for(int i=0;i<threadCounts;i++){
final List<Integer> subList;
if(i==threadCounts-1){
subList=list.subList(i*len,list.size());
}else{
subList=list.subList(i*len, len*(i+1)>list.size()?list.size():len*(i+1));
}
//采用匿名内部类实现
callList.add(new Callable<Long>(){
public Long call() throws Exception {
long subSum=0L;
for(Integer i:subList){
subSum+=i;
}
System.out.println("分配给线程："+Thread.currentThread().getName()+"那一部分List的整数和为：\tSubSum:"+subSum);
return subSum;
}
});
}
List<Future<Long>> futureList=exec.invokeAll(callList);
for(Future<Long> future:futureList){
sum+=future.get();
}
exec.shutdown();
System.out.println(sum);
} }
一些感言
这篇文章是昨天夜里11点多写好的，我当时是在网上看到了这个题目，就做了一下分析，写了实现代码，由于水平有限，难免有bug，这里感谢xifo等人的指正。这些帖子从发表到现在不到24小时的时间里创造了近9000的浏览次数，回复近100，这是我没有想到的，javaeye很久没这么疯狂过啦。这不是因为我的算法多好，而是因为这个题目、这篇帖子所体现出的意义。大家在看完这篇帖子后不光指正错误，还对方案进行了改进，关键是思考，人的思维是无穷的，只要我们善于发掘，善于思考，总能想出一些意想不到的方案。
从算法看，或者从题目场景对比代码实现来看，或许不是一篇很好的帖子，但是我说这篇帖子是很有意义的，方案也是在很多场景适用，有时我们可以假设这不是计算和，而是把数据写到一个个的小文件里，或者是分割进行网络传输等等，都有一定的启发，特别是回帖中的讨论。
单说一下回帖，我建议进来的人尽量看完所有的回帖，因为这里是很多人集思广益的精华，这里有他们分析问题，解决问题的思路，还有每个人提到的解决方案，想想为什么能用?为什么不能用?为什么好?为什么不好?
我一直相信：讨论是解决问题、提高水平的最佳方式！
http://www.iteye.com/topic/711162
InvokeAll的一个demo
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*; public class InvokeAllDemoWhenException {
public static void main(String[] args) { List<TaskInvokeAll> tasks = new ArrayList<TaskInvokeAll>();
for (int i = 0; i < 11; i++) {
tasks.add(new TaskInvokeAll(i));
} ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
try {
List<Future<String>> invokeAll = es.invokeAll(tasks);
for (Future<String> future : invokeAll) {
try {
System.out.println(future.get());
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} } class TaskInvokeAll implements Callable<String> { private int flag; public TaskInvokeAll(int flag) {
this.flag = flag;
} @Override
public String call() throws Exception {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
if (flag == 5) {
System.out.println(currentThread + " " + this.flag);
throw new IllegalArgumentException("current :" + flag);
}
if (flag == 2) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(currentThread + "Begin to sleep 1s");
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}
}
System.out.println(currentThread + " T'm finish:" + this.flag);
return String.valueOf(flag);
} }
Output(抛异常的打印，在输出结果时不固定):
Thread[pool-1-thread-1,5,main] T'm finish:0
Thread[pool-1-thread-5,5,main] T'm finish:4
Thread[pool-1-thread-2,5,main] T'm finish:1
Thread[pool-1-thread-3,5,main]Begin to sleep 1s
Thread[pool-1-thread-5,5,main] T'm finish:10
Thread[pool-1-thread-7,5,main] T'm finish:6
Thread[pool-1-thread-9,5,main] T'm finish:8
Thread[pool-1-thread-4,5,main] T'm finish:3
Thread[pool-1-thread-8,5,main] T'm finish:7
Thread[pool-1-thread-6,5,main] 5
Thread[pool-1-thread-2,5,main] T'm finish:9
Thread[pool-1-thread-3,5,main]Begin to sleep 1s
Thread[pool-1-thread-3,5,main]Begin to sleep 1s
Thread[pool-1-thread-3,5,main]Begin to sleep 1s
Thread[pool-1-thread-3,5,main]Begin to sleep 1s
Thread[pool-1-thread-3,5,main] T'm finish:2
0
1
2
3
4
6
7
8
9
10
java.util.concurrent.ExecutionException: java.lang.IllegalArgumentException: current :5
at java.util.concurrent.FutureTask$Sync.innerGet(FutureTask.java:222)
at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:83)
at thread.InvokeAllDemoWhenException.main(InvokeAllDemoWhenException.java:25)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:39)
at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:25)
at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:597)
at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:140)
Caused by: java.lang.IllegalArgumentException: current :5
at thread.TaskInvokeAll.call(InvokeAllDemoWhenException.java:50)
at thread.TaskInvokeAll.call(InvokeAllDemoWhenException.java:37)
at java.util.concurrent.FutureTask$Sync.innerRun(FutureTask.java:303)
at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:138)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.runTask(ThreadPoolExecutor.java:886)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:908)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:619)