【Java多线程】Java中的并发工具类（十八） - H__D

　　在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。CountDownLatch、CyclicBarrier 和 Semaphore 工具类提供了一种并发流程控制的手段。三个类的原理都是基于AQS。Exchanger工具类则提供了在线程见交换数据的一种手段。

一、等待多线程完成的CountDownLatch

简介

　　CountDownLatch 允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

应用场景

　　假如有这样一个需求，当我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据时，可以考虑使用多线程，每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序需要提示解析完成。在这个需求中，要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，最简单的做法是使用join。代码如下：

 1 public class JoinCountDownLatchTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 4         Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
 5             @Override
 6             public void run() {
 7             }
 8         });
 9 
10         Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
11             @Override
12             public void run() {
13                 System.out.println("parser2 finish");
14             }
15         });
16 
17         parser1.start();
18         parser2.start();
19         parser1.join();
20         parser2.join();
21         System.out.println("all parser finish");
22     }
23 
24 }

　　join用于让当前执行线程等待join线程执行结束。其实现原理是不停检查join线程是否存活，如果join线程存活则让当前线程永远wait，代码片段如下，wait(0)表示永远等待下去。

1 while (isAlive()) {
2  wait(0);
3 }

　　直到join线程中止后，线程的this.notifyAll会被调用，调用notifyAll是在JVM里实现的，所以JDK里看不到，有兴趣的同学可以看看JVM源码。JDK不推荐在线程实例上使用wait，notify和notifyAll方法。

　　而在JDK1.5之后的并发包中提供的CountDownLatch也可以实现join的这个功能，并且比join的功能更多。

 1 public class CountDownLatchTest {
 2 
 3     static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);
 4 
 5     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 6         new Thread(new Runnable() {
 7             @Override
 8             public void run() {
 9                 System.out.println(1);
10                 c.countDown();
11                 System.out.println(2);
12                 c.countDown();
13             }
14         }).start();
15 
16         c.await();
17         System.out.println("3");
18     }
19 
20 }

　　CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器，如果你想等待N个点完成，这里就传入N。

　　当我们调用一次CountDownLatch的countDown方法时，N就会减1，CountDownLatch的await会阻塞当前线程，直到N变成零。由于countDown方法可以用在任何地方，所以这里说的N个点，可以是N个线程，也可以是1个线程里的N个执行步骤。用在多个线程时，你只需要把这个CountDownLatch的引用传递到线程里。

　　如果有某个解析sheet的线程处理的比较慢，我们不可能让主线程一直等待，所以我们可以使用另外一个带指定时间的await方法，await(long time, TimeUnit unit): 这个方法等待特定时间后，就会不再阻塞当前线程。join也有类似的方法。

　　注意：计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是零，调用await方法时不会阻塞当前线程。CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数器的值。一个线程调用countDown方法 happen-before 另外一个线程调用await方法。

二、同步屏障CyclicBarrier

简介

　　CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier默认的构造方法是CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

　　实例代码如下：

 1 public class CyclicBarrierTest {
 2 
 3     static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
 4 
 5     public static void main(String[] args) {
 6         new Thread(new Runnable() {
 7 
 8             @Override
 9             public void run() {
10                 try {
11                     c.await();
12                 } catch (Exception e) {
13 
14                 }
15                 System.out.println(1);
16             }
17         }).start();
18 
19         try {
20             c.await();
21         } catch (Exception e) {
22 
23         }
24         System.out.println(2);
25     }
26 }

　　输出 1，2 或者 2， 1

　　如果把new CyclicBarrier(2)修改成new CyclicBarrier(3)则主线程和子线程会永远等待，因为没有第三个线程执行await方法，即没有第三个线程到达屏障，所以之前到达屏障的两个线程都不会继续执行。

　　CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。

　　代码如下：

 1 public class CyclicBarrierTest2 {
 2 
 3     static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());
 4 
 5     public static void main(String[] args) {
 6         new Thread(new Runnable() {
 7 
 8             @Override
 9             public void run() {
10                 try {
11                     c.await();
12                 } catch (Exception e) {
13 
14                 }
15                 System.out.println(1);
16             }
17         }).start();
18 
19         try {
20             c.await();
21         } catch (Exception e) {
22 
23         }
24         System.out.println(2);
25     }
26 
27     static class A implements Runnable {
28 
29         @Override
30         public void run() {
31             System.out.println(3);
32         }
33 
34     }
35 
36 }

　　因为CyclicBarrier设置了拦截线程的数据是2，所以必须等待代码中的第一个线程和线程A都执行完之后，才会继续执行主线程，然后输出2，所以代码执行后的输出如下：

　　输出：3、1、2

CyclicBarrier的应用场景

　　CyclicBarrier可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。比如我们用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个帐户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个sheet里的银行流水，都执行完之后，得到每个sheet的日均银行流水，最后，再用barrierAction用这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水。

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

CountDownLatch的计数器只能使用一次。而CyclicBarrier的计数器可以使用reset() 方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景，比如如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程们重新执行一次。
CyclicBarrier还提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量。isBroken方法用来知道阻塞的线程是否被中断。比如以下代码执行完之后会返回true。

　　isBroken的使用代码如下：

 1 import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
 2 import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
 3 
 4 public class CyclicBarrierTest3 {
 5 
 6     static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
 7 
 8     public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
 9         Thread thread = new Thread(new Runnable() {
10 
11             @Override
12             public void run() {
13                 try {
14                     c.await();
15                 } catch (Exception e) {
16                 }
17             }
18         });
19         thread.start();
20         thread.interrupt();
21         try {
22             c.await();
23         } catch (Exception e) {
24             System.out.println(c.isBroken());
25         }
26     }
27 }

　　输出：true

三、控制并发线程数的Semaphore

简介

　　Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。

　　很多年以来，我都觉得从字面上很难理解Semaphore所表达的含义，只能把它比作是控制流量的红绿灯，比如XX马路要限制流量，只允许同时有一百辆车在这条路上行使，其他的都必须在路口等待，所以前一百辆车会看到绿灯，可以开进这条马路，后面的车会看到红灯，不能驶入XX马路，但是如果前一百辆中有五辆车已经离开了XX马路，那么后面就允许有5辆车驶入马路，这个例子里说的车就是线程，驶入马路就表示线程在执行，离开马路就表示线程执行完成，看见红灯就表示线程被阻塞，不能执行。

应用场景

　　Semaphore可以用于做流量控制，特别公用资源有限的应用场景，比如数据库连接。假如有一个需求，要读取几万个文件的数据，因为都是IO密集型任务，我们可以启动几十个线程并发的读取，但是如果读到内存后，还需要存储到数据库中，而数据库的连接数只有10个，这时我们必须控制只有十个线程同时获取数据库连接保存数据，否则会报错无法获取数据库连接。这个时候，我们就可以使用Semaphore来做流控，代码如下：

 1 public class SemaphoreTest {
 2 
 3     private static final int THREAD_COUNT = 30;
 4 
 5     private static ExecutorService threadPool = Executors
 6             .newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
 7 
 8     private static Semaphore s = new Semaphore(10);
 9 
10     public static void main(String[] args) {
11         for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
12             threadPool.execute(new Runnable() {
13                 @Override
14                 public void run() {
15                     try {
16                         s.acquire();
17                         System.out.println("save data");
18                         s.release();
19                     } catch (InterruptedException e) {
20                     }
21                 }
22             });
23         }
24 
25         threadPool.shutdown();
26     }
27 }

　　在代码中，虽然有30个线程在执行，但是只允许10个并发的执行。Semaphore的构造方法Semaphore(int permits) 接受一个整型的数字，表示可用的许可证数量。Semaphore(10)表示允许10个线程获取许可证，也就是最大并发数是10。Semaphore的用法也很简单，首先线程使用Semaphore的acquire()获取一个许可证，使用完之后调用release()归还许可证。还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证。

其他方法

　　Semaphore还提供一些其他方法：

int availablePermits() ：返回此信号量中当前可用的许可证数。
int getQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数。
boolean hasQueuedThreads() ：是否有线程正在等待获取许可证。
void reducePermits(int reduction) ：减少reduction个许可证。是个protected方法。
Collection getQueuedThreads() ：返回所有等待获取许可证的线程集合。是个protected方法。

四、两个线程进行数据交换的Exchanger

简介

　　Exchanger（交换者）是一个用于线程间协作的工具类。Exchanger用于进行线程间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过exchange方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange方法，它会一直等待第二个线程也执行exchange，当两个线程都到达同步点时，这两个线程就可以交换数据，将本线程生产出来的数据传递给对方。

Exchanger的应用场景

　　Exchanger可以用于遗传算法，遗传算法里需要选出两个人作为交配对象，这时候会交换两人的数据，并使用交叉规则得出2个交配结果。
Exchanger也可以用于校对工作。比如我们需要将纸制银流通过人工的方式录入成电子银行流水，为了避免错误，采用AB岗两人进行录入，录入到Excel之后，系统需要加载这两个Excel，并对这两个Excel数据进行校对，看看是否录入的一致。代码如下：

 1 public class ExchangerTest {
 2 
 3     private static final Exchanger<String> exgr = new Exchanger<String>();
 4 
 5     private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
 6 
 7     public static void main(String[] args) {
 8 
 9         threadPool.execute(new Runnable() {
10             @Override
11             public void run() {
12                 try {
13                     String A = "银行流水A";// A录入银行流水数据
14                     exgr.exchange(A);
15                 } catch (InterruptedException e) {
16                 }
17             }
18         });
19 
20         threadPool.execute(new Runnable() {
21             @Override
22             public void run() {
23                 try {
24                     String B = "银行流水B";// B录入银行流水数据
25                     String A = exgr.exchange("B");
26                     System.out.println("A和B数据是否一致：" + A.equals(B) + ",A录入的是："
27                             + A + ",B录入是：" + B);
28                 } catch (InterruptedException e) {
29                 }
30             }
31         });
32 
33         threadPool.shutdown();
34 
35     }
36 }

其他方法

　　如果两个线程有一个没有到达exchange方法，则会一直等待,如果担心有特殊情况发生，避免一直等待，可以使用exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)设置最大等待时长。

参考文章：

　　1、《Java并发编程的艺术》

　　2、https://ifeve.com/talk-concurrency-countdownlatch/

posted on 2021-03-22 15:15 H__D 阅读(196) 评论(0) 编辑收藏举报

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一、等待多线程完成的CountDownLatch

简介

应用场景

二、同步屏障CyclicBarrier

简介

CyclicBarrier的应用场景

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

三、控制并发线程数的Semaphore

简介

应用场景

其他方法

四、两个线程进行数据交换的Exchanger

简介

Exchanger的应用场景

其他方法