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Java多任务并发执行与性能基准测试实践

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发布： 2025-09-02 21:09:01

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java多任务并发执行与性能基准测试实践

本文旨在指导如何在Java中实现多任务并发执行，特别是在性能基准测试场景下。我们将探讨如何利用Java的Thread和Runnable接口创建并管理并发任务，详细讲解如何准确测量任务执行时间（使用System.nanoTime()），以及如何通过Thread.join()等待所有任务完成并汇总结果。文章还将介绍java.util.concurrent包中的ExecutorService，以提供更高级的并发管理方案，确保程序高效、准确地完成多任务处理。

Java并发编程基础：Thread与Runnable

在Java中，实现多任务并发执行的核心是利用线程。当我们需要同时执行多个独立或半独立的操作时，例如在一个程序中同时运行“埃拉托斯特尼筛法”进行素数测试和“暴力破解法”进行另一项计算，将它们分配到不同的线程中可以显著提高程序的响应速度和资源利用率。

Java提供了两种主要方式来创建线程：

继承Thread类：直接创建一个新类继承Thread，并重写run()方法。
实现Runnable接口：创建一个类实现Runnable接口，并实现其run()方法，然后将该Runnable实例传递给Thread类的构造函数。

推荐使用实现Runnable接口的方式。原因在于Java不支持多重继承，如果一个类已经继承了其他类，就无法再继承Thread。而实现接口则没有这个限制，可以更好地分离任务逻辑（Runnable）与线程管理（Thread），提高代码的灵活性和可维护性。此外，避免在方法内部创建匿名类来扩展Thread，这有助于保持代码的整洁和可维护性。

以下是一个基于Runnable接口实现并发任务的示例骨架，以埃拉托斯特尼筛法和暴力破解法为例：

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// 定义第一个任务：埃拉托斯特尼筛法素数测试
class SieveOfEratosthenesTask implements Runnable {
    private final int limit;
    private long duration; // 存储任务执行时间

    public SieveOfEratosthenesTask(int limit) {
        this.limit = limit;
    }

    @Override
    public void run() {
        long startTime = System.nanoTime(); // 记录开始时间
        System.out.println("Sieve of Eratosthenes Task started for limit: " + limit);
        // 实际应用中会在此处实现具体的埃拉托斯特尼筛法算法逻辑
        try {
            // 模拟耗时操作，例如计算素数
            Thread.sleep(2000); 
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断状态
            System.err.println("SieveOfEratosthenesTask interrupted.");
        }
        long endTime = System.nanoTime(); // 记录结束时间
        this.duration = endTime - startTime;
        System.out.println("Sieve of Eratosthenes Task finished.");
    }

    public long getDuration() {
        return duration;
    }
}

// 定义第二个任务：暴力破解法计算
class BruteForceTask implements Runnable {
    private final long iterations;
    private long duration; // 存储任务执行时间

    public BruteForceTask(long iterations) {
        this.iterations = iterations;
    }

    @Override
    public void run() {
        long startTime = System.nanoTime(); // 记录开始时间
        System.out.println("Brute Force Task started for iterations: " + iterations);
        // 实际应用中会在此处实现具体的暴力破解法算法逻辑
        long sum = 0;
        for (long i = 0; i < iterations; i++) {
            sum += i; // 模拟计算
        }
        try {
            // 模拟耗时操作
            Thread.sleep(1500); 
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断状态
            System.err.println("BruteForceTask interrupted.");
        }
        long endTime = System.nanoTime(); // 记录结束时间
        this.duration = endTime - startTime;
        System.out.println("Brute Force Task finished. Sum: " + sum); // 模拟结果
    }

    public long getDuration() {
        return duration;
    }
}

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性能基准测试与结果收集

在并发执行多个任务时，通常需要测量每个任务的执行时间，并等待所有任务完成后汇总结果。

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准确测量任务执行时间

在Java中进行性能基准测试时，推荐使用System.nanoTime()而不是System.currentTimeMillis()来测量时间间隔。

System.nanoTime()：返回JVM运行的高分辨率时间戳，与系统时钟无关，最适合测量时间间隔，精度可达纳秒。
System.currentTimeMillis()：返回当前时间与UTC 1970年1月1日午夜之间的毫秒差，受系统时钟调整影响，精度较低，不适合进行精确的时间间隔测量。

在上述Runnable的run()方法中，我们已经包含了System.nanoTime()的用法来记录任务的开始和结束时间，从而计算执行时长。

等待任务完成与结果汇总

主线程在启动子线程后，如果需要等待所有子线程执行完毕才能继续执行或汇总结果，可以使用Thread.join()方法。join()方法会使当前线程（通常是主线程）等待调用join()方法的线程执行完毕。

以下是主程序如何启动任务、等待它们完成并报告结果的示例：

public class ConcurrentBenchmarking {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("Main thread started.");

        // 创建任务实例
        SieveOfEratosthenesTask sieveTask = new SieveOfEratosthenesTask(1_000_000);
        BruteForceTask bruteForceTask = new BruteForceTask(5_000_000_000L); // 注意L后缀表示long类型

        // 创建并启动线程，将Runnable任务分配给Thread
        Thread sieveThread = new Thread(sieveTask, "SieveThread");
        Thread bruteForceThread = new Thread(bruteForceTask, "BruteForceThread");

        sieveThread.start();       // 启动SieveThread
        bruteForceThread.start();  // 启动BruteForceThread

        // 等待所有线程完成
        System.out.println("Main thread waiting for tasks to complete...");
        sieveThread.join();       // 主线程等待sieveThread执行完毕
        bruteForceThread.join();  // 主线程等待bruteForceThread执行完毕

        System.out.println("All tasks completed. Reporting results:");
        // 将纳秒转换为毫秒并格式化输出
        System.out.printf("Sieve of Eratosthenes Task Duration: %.2f ms%n", sieveTask.getDuration()

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