Semaphore、CountDownLatch和CyclicBarrier
Semaphore
信号量,我们应该都在操作系统课程里学过,它是解决进程间通信和同步的常用工具,也是一种常见的模型。信号量是一个确定的二元组(s, q), s是正整型变量,q是初始状态为空的队列,s代表并发状态,操作系统利用信号量的状态s管理并发进程。如果s<=0,进程阻塞,如果s>0,进程继续执行。为了实现对s值的修改,操作系统提供了P、V操作原语,P的操作包括:s值减1,若s<=0,则进程阻塞,并将该进程插入到等待队列q中,V操作:s值加1,若s<=0,从等待队列中移出一个进程,解除其阻塞状态。
Java提供了经典信号量(Semaphore)的实现,它通常用于控制线程数来达到限制共享资源访问的目的。
下面用信号量实现生产者消费者模型来演示下用法:
public class SemaphoreDemo { private static volatile int count = 0 ; private static final Semaphore full = new Semaphore(5); private static final Semaphore empty = new Semaphore(0); private static final Semaphore mutex = new Semaphore(1); public static void main(String[] args) { ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10); threadPool.execute(() -> { while(true){ try { full.acquire(); mutex.acquire(); count++; System.out.println("生产了1个资源, 目前还有" + count + "个资源"); Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { mutex.release(); empty.release(); } } }); threadPool.execute(() -> { while(true){ try { empty.acquire(); mutex.acquire(); count--; System.out.println("消费了1个资源, 目前还有" + count + "个资源"); Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { mutex.release(); full.release(); } } }); } }
full信号量限制了最多生产的资源数量,empty信号量限制了资源为空无法消费,mutex信号量相当于互斥锁,避免count读写不一致。总的来说,可以看出Semaphore就是个计数器,其基本逻辑基于acquire/release,acquire获取资源若获取不到则阻塞,release释放资源并唤醒阻塞的线程,信号量构造方法中还有个公平的参数这里没有演示。
CountDownLatch
作用是允许一个或多个线程等待直到其他线程中的某个操作完成。使用给定数值初始化CountDownLatch,调用countDown方法会减少计数器的值,调用await方法会阻塞直到当前计数达到零,之后释放所有等待的线程,但是注意计数器到0的时候不会自动重置(这也是和CyclicBarrier的区别之一)。
如果现在有这样一个场景,一批人叫了很多出租车,但是一车只能坐5个人,坐完后等下一辆车继续,用CountDownLatch如何实现?
代码如下:
public class CountDownLatchDemo { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { CountDownLatch latch = new CountDownLatch(6); ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); for(int i = 0; i < 5; i++){ executor.execute(() -> { System.out.println("First batch has executed!"); latch.countDown(); }); } for(int i = 0; i < 5; i++){ executor.execute(() -> { try { latch.await(); System.out.println("Second batch has executed!"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); } while(latch.getCount() != 1){ Thread.sleep(1000); } latch.countDown(); System.out.println("Wait for first batch finish!"); } }
执行结果如下:
第一批执行完后,由于第二批代码中调用了await方法所以阻塞,直到coutdownlatch的计数器减到0为止。
CyclicBarrier
一种同步辅助工具,允许一组线程全部等待到达某个屏障。用这个工具类实现上述场景:
public class CyclicBarrierDemo { public static void main(String[] args) { //final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, () -> new Thread(() -> System.out.println("Wait for batch finish!")).start()); final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, () -> System.out.println("Wait for batch finish!")); for(int i = 0; i < 10; i++){ new Thread(() -> { try { System.out.println("The batch has executed!"); cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); } } }
执行结果如下:
CyclicBarrier支持一个回调函数,每当一轮线程结束后,下一轮线程开始前,这个回调函数都会被调用一次,而且这个回调函数是执行在一个回合里最后执行await()的线程上。
注意上述代码中注释了一行,注释的写法意味着新开一个线程执行回调函数,那么回调函数会异步执行。
CountDownLatch和CyclicBarrier的区别:
CountDownLatch是不可以重置的,所以无法重用;而CyclicBarrier则没有这种限制,可以重用。 CountDownLatch的基本操作组合是countDown/await。调用await的线程等待countDown直到足够的次数,不管是在一个线程还是多个线程里countDown。
CyclicBarrier的基本操作是await,当所有的线程都调用了await,才会继续进行任务,并自动进行重置。注意,正常情况下,CyclicBarrier的重置都是自动发生的,如果我们调用reset方法,但还有线程在等待,就会导致等待线程被打扰,抛出BrokenBarrierException异常。