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Java并发编程基础03-高级线程同步机制

简介

3种基本的同步机制：

  • synchronized关键字。
  • Lock接口及其实现类：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock.ReadLock和ReentrantReadWriteLock.writeLock。
  • StampedLock类。

高级同步机制：

  • Semaphore：这是一个计数器，用来控制一个或多个共享资源的访问。这是一种基本并发编程工具，为大多数编程语言所支持。
  • CountDownLatch：CountDownLatch类是Java语言提供的一个机制，可以使一个线程等待多个操作结束。
  • CyclicBarrier：CyclicBarrier类是Java语言提供的另一个机制，可以使多个线程在一个共同状态点同步。
  • Phaser：Phaser类也是Java语言提供的另一个机制，可以分阶段地控制并发任务的执行。只有所有的线程都完成一个阶段后，才能继续下一个阶段。
  • Exchanger：Exchanger类也是Java语言提供的另一个机制，能够使得两个线程在某一点进行数据交换。
  • CompletableFuture：CompletableFuture类提供了一个机制，在这个机制中一个或多个任务等待另外一些任务执行结束，并且这些任务将以异步方式运行。这个类在Java 8中引入，Java 9中新增了一些方法。

信号量机制

如果信号量内部的计数器的值大于0，那么信号量就递减计数器并允许线程访问。

如果计数器的值为0，信号量会让线程休眠，直到计数器的值大于0。

Java的Semaphore类提供了信号量机制。

操作：

  • 初始化：传入一个参数，指有多少个信号量
  • 获取信号量：调用semaphore的acquire()方法来获取访问权限
  • 释放信号量：调用semaphore对象的release()方法释放信号量

使用信号量实现临界区来保护共享资源所要遵循的3个步骤：

  • 调用acquire()方法获得信号量。
  • 操作共享资源。
  • 调用release()方法来释放信号量。

可以一次性获取或者释放多个信号量：

acquire()、acquireUninterruptibly()、tryAcquire()以及release()方法，均有一个带有一个整型参数的版本。

Semaphore公平和非公平模式：

Semaphore类提供了重载的构造器，它允许传入第二个参数。

如果传入参数为false，则创建的Semaphore将工作在非公平模式下，这也是不传该参数时的默认模式；如果传入参数为true，则创建的Semaphore将工作在公平模式下。

倒计时机制

Java并发API提供了一个类CountDownLatch，它可以使多个线程等待直到一组操作完成。

当一个线程希望等待这些操作执行完成时，可以调用CountDownLatch对象的await()，这个方法会将调用线程休眠，直到所等待的操作全部结束。而当一个操作结束时，应该调用CountDownLatch对象的countDown()方法，该方法会将CountDownLatch对象内部的属性计数器的值减1，表示一个操作的完成。当CountDownLatch对象内部的计数器的值为0时，表示所有操作都完成了。这时，CountDownLatch对象将唤起所有因调用其await()方法而休眠的线程。

操作：

  • 初始化：一个整型参数，该参数代表了线程希望等待的操作的个数。
  • await() 方法：希望等待所有事件结束的线程需要调用该方法。
  • countDown()方法：事件在结束执行后调用。

运行模式：

在创建CountDownLatch对象时，构造器的参数将用来初始化对象内部的计数器。每次调用countDown()方法时，CountDownLatch对象的计数器的值都减1。当计数器的值为0时，CountDownLatch对象唤醒全部因调用await()方法而休眠等待的线程。

CountDownLatch一次性特性：

其实例对象的同步作用是一次性的。正如之前所示，当CountDownLatch对象内部的计数器的值为0时，后续对其的调用将不会产生任何作用。

在指定状态点同步任务

CyclicBarrier运行机制：

CyclicBarrier类的构造器需要有一个整型参数，这个参数表示在指定点进行同步的线程个数。当需要同步的线程运行到指定点时，可以调用CyclicBarrier对象的await()方法，然后等待其他线程达到指定点。这个方法使调用线程休眠，等待其他线程的到达。当最后一个需要同步的线程到达并调用CyclicBarrier对象的await()方法时，所有在此等待的线程都会被唤醒并继续执行。

CyclicBarrier类定义了内部计数器，它对需要在同步状态点进行同步的线程数进行控制。每当一个线程执行到同步状态点时，它会通过调用await()通知CyclicBarrier对象有一个线程已达到同步状态点，这时CyclicBarrier对象将内部计数器的值减1，并将调用线程休眠，直到所有线程均达到同步状态点。

构造函数传入第二个参数Runnable：

CyclicBarrier对象会在所有同步线程到达指定点后，将Runnable对象当作一个线程对象来执行。

一些其他方法：

getNumberWaiting()方法：该方法会返回因调用await()而休眠等待的线程数；

getParties()方法：该方法返回CyclicBarrier对象同步的任务数。

CyclicBarrier可以重置，这是和CountDownLatch很不同的点：

CyclicBarrier类提供的reset()方法可以实现重置。当调用这个方法后，所有因调用await()方法而休眠等待的线程，将收到BrokenBarrierException异常。

CyclicBarrie损坏状态：

当多个线程因调用await() 方法而等待时，若其中一个被中断了，则此线程会收到Interrupted- Exception异常，而其他线程将收到BrokenBarrierException异常，并且CyclicBarrier对象会进入损坏状态。

CyclicBarrier类提供了isBroken()方法。如果CyclicBarrier对象处于损坏状态，则调用该方法将返回true；否则，将返回false。

运行阶段性并发任务

Phaser类提供了在每步结束时同步线程的机制，这使得只有当所有线程都完成第一步后，才会有线程开始执行第二步操作。

CyclicBarrier也可以完成类似的功能。

Phaser对象可以动态增加和减少同步的任务数量：

在初始化Phaser对象时，必须指明参与同步的任务数量，但是它可以动态地增加或者减少同步参与者。

操作：

  • 初始化：传入一个参数，代表需要同步的线程数
  • arriveAndAwaitAdvance()方法：当一个线程调用该方法时，Phaser对象将当前阶段需要等待的线程数减1，并使调用线程休眠，直到所有线程均已完成当前阶段的任务。
  • arriveAndDeregister()方法：通知Phaser对象来减少一个参与同步的线程
  • isTerminated()方法：默认情况下（下一节将介绍非默认情况），当一个Phaser对象上只剩0个同步参与者时，Phaser对象进入一个终止状态（Termination），并且isTerminated()方法会返回true。

与其他同步工具类不同，由Phaser休眠的线程不会响应中断，也不会抛出中断异常。

arrive()方法：

该方法将通知Phaser类，一个参与者已经完成当前的阶段任务，并将继续执行，不等待该阶段的其他参与者。

一个值得思考的问题：arrive之后再次arriveAndAwaitAdvance()是等待下一阶段，还是这一阶段？

答：phaser的机制很简单，每有一个线程调用了arrive，phaser需要等待的线程就减1，有个线程连续调用arrive，他甚至可以用一个线程完成一个阶段所有需要调用的线程

动态调整Phaser中参与者数量：

  • register()：该方法向Phaser添加一个新的参与者，并且，默认该参与者还未完成当前阶段。
  • bulkRegister(int parties)：该方法向Phaser对象增加指定数量的参与者，并且，默认这些参与者还未完成当前阶段。
  • Phaser类仅提供了一个动态减少同步参与者数量的方法：arriveAndDeregister()。

强制终止Phaser：

Phaser类提供的forceTermination()方法可改变Phaser对象的状态，不论该对象注册了多少个同步参与者，该方法都会将Phaser对象置于终止状态。

当一个Phaser对象处于终止状态时，调用awaitAdvance()和arriveAndAwait- Advance()方法将立即返回一个负数（通常状态下，返回的是正数）。

阶段性并发任务的终止状态转变控制

Phaser类提供了方法onAdvance()【protected方法】，并在阶段转变时自动调用此方法。如果该方法返回为True，则phaser进入终止状态。

onAdvance()方法的默认实现为，如果Phaser上注册的参与者数量为0，则返回true，否则为false。

需要重写该方法，实现阶段转变控制：

该方法接收刚执行完成的阶段数（从0开始计数），它还接收一个代表参与者数量的参数。

两个并发任务间的数据交换

Exchanger工具类允许在两个线程间定义一个同步点，当两个线程到达该同步点时，它们能够交换内部的数据结构，使得第一个线程的数据结构传递给第二个线程，反之亦然。

注：Exchanger只能在两个线程间同步

构造方法：

Exchanger<List<String>> exchanger=new Exchanger<>();

运行机制：

与其他同步工具类一样，第一个调用exchange()方法的线程将会休眠，直到该方法由另一个线程调用。然后同时交换数据，类似于线程间的swap操作。

★CompletableFuture机制★

CompletableFuture实现了Future接口和CompletionStage接口：

  • 作为Future对象，CompletableFuture会在将来返回一个结果。
  • 作为CompletionStage对象，可以在一个或多个CompletableFuture对象完成任务以后，执行额外的异步任务。

3种使用CompletableFuture类的方法：

  • 主动创建一个CompletableFuture对象，使其作为两个任务之间的同步点。一个任务创建一个值，并作为Completable对象的complete()方法的参数，该值将由CompletableFuture返回，另一个任务可以调用get()或join()方法等待该值。
  • 通过CompletableFuture类的静态方法runAsync()和supplyAsync()来执行Runnable或Supplier。这些方法将会返回一个CompletableFuture对象，并且在这些任务结束运行以后，该对象将进入完备态。在第二种情况下，Supplier的返回值即为CompletableFuture对象完备态的值。
  • 附加声明的任务将会在一个或多个CompletableFuture对象执行完毕后异步执行。该任务可以实现Runnable、Function、Consumer或BiConsumer接口。

该节的案例非常经典，写得很好，值得总结与回顾

CompletableFuture类的静态方法allOf()：

该方法接收变长的CompletableFuture对象作为参数，不会等待所有传入CompletableFuture完成，才返回，不会阻塞线程！

“其他说明部分”也是很经典，值得总结

posted @ 2021-10-31 11:27  Doubest  阅读(119)  评论(0)  编辑  收藏  举报