线程基础:JDK1.5+(10)——线程新特性(下)
(接上文《线程基础:JDK1.5+(9)——线程新特性(中)》)
3-4、CountDownLatch:同步器
上文中我们主要讲解了JDK1.5+中提供的一个重要工具:Semaphore信号量,并且用这个工具第一次实现了“100米赛跑”的需求。在第一次的实现中,我们还运用了“线程专栏”中已介绍的多个知识点,包括锁、线程池、队列、Callable接口等。
但实际上第一次实现的“100米赛跑”的需求,离我们真正的需求还有一定的距离:在我们第一次实现时,选手是否可以跑步,完全取决于“是否有空闲的赛道”。但是原始需求中特别要求对所有的选手进行分组。特别是初赛时(因为决赛时就只有一组了):最多5名选手一组,每组选手需要一起进行跑步。
也就是说,选手是否可以跑步,不但取决于是否有空闲的赛道,还取决于当前选手所属组的其他选手的准备情况。只有当跑道有空余,并且该组其它选手也准备完毕,才能一起开始跑步(这样才能称为赛跑嘛)。
在JKD1.5+环境中,Doug Lea和他的团队为我们提供了可以很好实现这个要求的工具类:CountDownLatch和CyclicBarrier。我们首先介绍CountDownLatch的基本使用方式:
3-4-1、CountDownLatch基本使用
CountDownLatch是一个同步计数器,能够保证在其他线程完成某一个业务操作前,当前线程一直处于等待/阻塞状态。具体来说,这个计数器将会从给定的某一个数值count开始,通过countDown()方法的调用进行倒数。当执行某一次countDown()操作后,计数器的count数值等于0,所有调用了await()方法的线程,就解除等待/阻塞状态继续执行。我们来看一段简单的示例代码:
package test.thread.countDownLatch;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;
import org.apache.log4j.BasicConfigurator;
public class TestCountDownLatch {
/**
* 日志
*/
private static Log LOGGER = LogFactory.getLog(TestCountDownLatch.class);
static {
BasicConfigurator.configure();
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
// 同步计数器从5开始计数
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
// 启动子线程,处理“其他”业务
for(int index = 0 ; index < 5 ; index++) {
Thread childThread = new Thread() {
@Override
public void run() {
//等待,以便模型业务处理过程消耗的时间
synchronized (this) {
try {
this.wait(1000);
} catch (InterruptedException e) {
TestCountDownLatch.LOGGER.error(e.getMessage(), e);
}
}
// 完成业务处理过程,计数器-1
long threadid = Thread.currentThread().getId();
TestCountDownLatch.LOGGER.info("子线程(" + threadid + ")执行完成!");
countDownLatch.countDown();
}
};
childThread.start();
}
// 等待所有子线程的业务都处理完成(计数器的count为0时)
countDownLatch.await();
TestCountDownLatch.LOGGER.info("所有子线程的处理都完了,主线程继续执行...");
}
}
以下是可能的执行结果(因为每次执行的效果可能有所区别):
1 [Thread-3] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(12)执行完成!
1 [Thread-4] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(13)执行完成!
1 [Thread-1] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(10)执行完成!
1 [Thread-2] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(11)执行完成!
1 [Thread-0] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(9)执行完成!
9 [main] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 所有子线程的处理都完了,主线程继续执行...
以上代码片段和执行结果说明了CountDownLatch的最简单使用,CountDownLatch同步计数器从5开始计数,分别对应5个子线程的业务完成情况。每当一个子线程业务完成后,CountDownLatch同步计数器就countDown一次。直到count等于0时,这时主线程上面的await()方法解除等待/阻塞状态,继续执行。这里要注意一下:
不是说只能有一次await方法的调用,而是同一时间可以有多个线程调用了await方法。只要在count还不等于0时,某个线程调用了await方法,它都会进入等待/阻塞状态。
在调用await时,如果CountDownLatch同步计数器的count已经等于0了,则await方法不会进入等待/阻塞状态。
await调用和countDown调用不是说必须处于不同线程。同一线程中,您可以先调用countDown然后再调用await进入等待/阻塞。CountDownLatch同步计数器会始终遵循上两条工作原则。
在使用CountDownLatch同步计数器时,您无需考虑脏数据的问题。CountDownLatch同步计数器是线程安全的。
3-4-2、CountDownLatch在“100米赛跑”中的应用
很明显CountDownLatch在“100米赛跑”中的使用目标是:“等待这组所有的选手全部上跑道”,然后一起开始跑步。所以,CountDownLatch的计数器,需要在选手获得“跑道”资源后,马上countDown一次。之后,获得“跑道”资源的选手要立刻调用await进入等待状态,等待其他选手也获得跑道资源。我们给这整个处理逻辑去一个名字叫做:“发令枪”,代码片段如下:
......
/**
* 选手所关注的发令枪
*/
private CountDownLatch startingGun;
......
public Result call() throws Exception {
......
try {
// 申请上跑道(这个没有变化)
this.runway.acquire();
// 等待可能的发令枪
if(this.startingGun != null) {
// 执行到这里,说明这个选手已经拿到了跑到资源;
// 向发令枪表达“我已准备好”,即计数器-1
this.startingGun.countDown();
System.out.println("选手" + name + "[" + number + "],已登上跑道,等待发令!");
// 接下来进入“等待”状态
// 以便等这个发令枪所管理的所有选手上跑道了,再一起跑步
this.startingGun.await();
System.out.println("选手" + name + "[" + number + "],跑!");
}
// 开始正式跑步
return this.result = this.doRun();
} catch(Exception e) {
e.printStackTrace(System.out);
} finally {
// 都要进入初赛结果排序(中途退赛的成绩就为0)
this.runway.release();
System.out.println("选手" + name + "[" + number + "],比赛正常完成!");
}
......
}
......
那么如何进行分组呢?我们可以让一组选手,关注同一把“发令枪”(有多少把发令枪,就有多少个组、就有多少个CountDownLatch对象)。如下图所示:
另外,分组时一定要考虑一个问题:由于报名人数不一定是5的整数倍,所以最后一组不一定有5个人。考虑到实现的代码片段如下:
......
// 这是发令枪
CountDownLatch startingGun = null;
......
// signupPlayers 是报名队列
// runwayCount 是跑道数量
for (int index = 0 ; index < this.signupPlayers.size() ; index++) {
/*
* 这是发令枪,发令枪的使用规则是:
* 1、最多5位选手听从一把发令枪的命令(因为跑道最多就是5条)
* 2、如果剩余的没有比赛的选手不足5人,则这些人听从一把发令枪的命令
* */
if(index % runwayCount == 0) {
startingGun = this.signupPlayers.size() - index > runwayCount?
new CountDownLatch(runwayCount):
new CountDownLatch(this.signupPlayers.size() - index);
}
// 获取这个选手(signupPlayers是报名队列)
Player player = this.signupPlayers.get(index);
// 设置选手关注的发令枪
player.setStartingGun(startingGun);
// 提交给裁判组协调执行
Future<Result> future = refereeService.submit(player);
// 开始一个选手的跑步动作状态监控
new FutureThread(future, player, this.preliminaries).start();
}
......
这样我们就完成了对第一次“100米赛跑”实现代码的优化:增加了选手分组控制功能。以下给出相对完整的代码。注意,由于Result类没有做任何更改,所以就不需要赘述了。
- Player选手类的的更改,主要是加入了“关注的发令枪”的关注
public class Player implements Callable<Result> , Comparable<Player>{
......
/**
* 跑道
*/
private Semaphore runway;
/**
* 选手所关注的发令枪
*/
private CountDownLatch startingGun;
......
/**
* @param startingGun the startingGun to set
*/
public void setStartingGun(CountDownLatch startingGun) {
this.startingGun = startingGun;
}
/**
* @return the startingGun
*/
public CountDownLatch getStartingGun() {
return startingGun;
}
......
/* (non-Javadoc)
* @see java.util.concurrent.Callable#call()
*/
@Override
public Result call() throws Exception {
this.result = null;
try {
// 申请上跑道
this.runway.acquire();
// 等待可能的发令枪
if(this.startingGun != null) {
// 执行到这里,说明这个选手已经拿到了跑到资源;
// 首先向发令枪表达“我已准备好”,即计数器-1
this.startingGun.countDown();
System.out.println("选手" + name + "[" + number + "],已登上跑道,等待发令枪!");
// 接下来进入“等待”状态
// 以便这个发令枪所管理的所有选手登上跑道了,再一起跑步
this.startingGun.await();
System.out.println("选手" + name + "[" + number + "],跑!");
}
// 开始正式跑步
return this.result = this.doRun();
} catch(Exception e) {
e.printStackTrace(System.out);
} finally {
// 都要进入初赛结果排序(中途退赛的成绩就为0)
this.runway.release();
System.out.println("选手" + name + "[" + number + "],比赛正常完成!");
}
// 如果执行到这里,说明异常发生了
this.result = new Result(Float.MAX_VALUE);
return this.result;
}
/**
* 开始跑步(跑步的处理过程没有变化)
* @return
* @throws Exception
*/
private Result doRun() throws Exception {
/*
* 为了表现一个选手每一次跑步都有不同的状态(但是都不会低于其最低状态),
* 所以每一次跑步,系统都会为这个选手分配一个即时速度。
*
* 这个即时速度不会低于其最小速度,但是也不会高于 14米/秒(否则就是‘超人’咯)
* */
// 生成即时速度
float presentSpeed = 0f;
presentSpeed = this.minSpeed * (1.0f + new Random().nextFloat());
if(presentSpeed > 14f) {
presentSpeed = 14f;
}
// 计算跑步结果(BigDecimal的使用可自行查阅资料)
BigDecimal calculation = new BigDecimal(100).divide(new BigDecimal(presentSpeed) , 3, RoundingMode.HALF_UP);
float presentTime = calculation.floatValue();
// 让线程等待presentSpeed的时间,模拟该选手跑步的过程
synchronized (this) {
this.wait((long)(presentTime * 1000f));
}
// 返回跑步结果
this.result = new Result(presentTime);
return result;
}
......
}
- TwoTrack比赛主控制类,主要加入了对“选手分组”的支持
/**
* 这是第二个比赛程序。
* @author yinwenjie
*
*/
public class TwoTrack {
......
public void track() {
/*
* 赛跑分为以下几个阶段进行;
*
* 1、报名
* 2、初赛,11名选手,分成两组,每组最多5名选手。
* 因为场地只有5条赛道,只有拿到进场许可的才能使用赛道,进行比赛
*
* 3、决赛:初赛结果将被写入到一个队列中进行排序,只有成绩最好的前五名选手,可以参加决赛。
*
* 4、决赛结果的前三名将分别作为冠亚季军被公布出来
* */
//1、================报名
// 这就是跑道,需求上说了只有5条跑道,所以只有5个permits。
Semaphore runway = new Semaphore(5);
this.signupPlayers.clear();
for(int index = 0 ; index < TwoTrack.PLAYERNAMES.length ; ) {
Player player = new Player(TwoTrack.PLAYERNAMES[index], ++index , runway);
this.signupPlayers.add(player);
}
//2、================进行初赛
// 这是赛道的数量
int runwayCount = 5;
// 这是裁判
ExecutorService refereeService = Executors.newFixedThreadPool(5);
// 这是发令枪
CountDownLatch startingGun = null;
for (int index = 0 ; index < this.signupPlayers.size() ; index++) {
/*
* 这是发令枪,发令枪的使用规则是:
* 1、最多5位选手听从一把发令枪的命令(因为跑道最多就是5条)
* 2、如果剩余的没有比赛的选手不足5人,则这些人听从一把发令枪的命令
* */
if(index % runwayCount == 0) {
startingGun = this.signupPlayers.size() - index > runwayCount?
new CountDownLatch(runwayCount):
new CountDownLatch(this.signupPlayers.size() - index);
}
// 获取这个选手
Player player = this.signupPlayers.get(index);
// 设置选手关注的发令枪
player.setStartingGun(startingGun);
// 提交给裁判组准备执行
Future<Result> future = refereeService.submit(player);
// 开始一个选手的跑步动作状态监控
new FutureThread(future, player, this.preliminaries).start();
}
//! 只有当PLAYERNAMES.length位选手的成绩都产生了,才能进入决赛,这很重要
while(this.preliminaries.size() < TwoTrack.PLAYERNAMES.length) {
try {
synchronized (this.preliminaries) {
this.preliminaries.wait();
}
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace(System.out);
}
}
// 3、============决赛(只有初赛结果的前5名可以参见)
// 决赛的发令枪
startingGun = new CountDownLatch(5);
for(int index = 0 ; index < 5 ; index++) {
Player player = this.preliminaries.poll();
// 重新设置选手关注的发令枪
player.setStartingGun(startingGun);
// 提交给裁判组准备执行
Future<Result> future = refereeService.submit(player);
// 开始一个选手的跑步动作状态监控
new FutureThread(future, player, this.finals).start();
}
//! 只有当5位选手的决赛成绩都产生了,才能到下一步:公布成绩
while(this.finals.size() < 5) {
try {
synchronized (this.finals) {
this.finals.wait();
}
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace(System.out);
}
}
// 4、============公布决赛成绩(前三名)
for(int index = 0 ; index < 3 ; index++) {
Player player = this.finals.poll();
switch (index) {
case 0:
System.out.println("第一名:" + player.getName() + "[" + player.getNumber() + "],成绩:" + player.getResult().getTime() + "秒");
break;
case 1:
System.out.println("第二名:" + player.getName() + "[" + player.getNumber() + "],成绩:" + player.getResult().getTime() + "秒");
break;
case 2:
System.out.println("第三名:" + player.getName() + "[" + player.getNumber() + "],成绩:" + player.getResult().getTime() + "秒");
break;
default:
break;
}
}
}
......
//其他诸如FutureThread、main函数的代码都没有变化
}
3-4-3、相似工具类CyclicBarrier
在JDK1.5+中还有一个和CountDownLatch类似的同步计数工具:CyclicBarrier。不同的是CyclicBarrier的计数是循环进行的,而且也不需要向CountDownLatch那样显示的调用countDown进行减一操作。
如何理解CyclicBarrier计数器的循环工作方式呢?我们先来看看一个比较简单的示例代码:
public class TestCyclicBarrier {
static {
BasicConfigurator.configure();
}
/**
* 日志
*/
private static Log LOGGER = LogFactory.getLog(TestCyclicBarrier.class);
public static void main(String[] args) throws Throwable {
// 同步计数器的技术周期为3
final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
// 启动子线程,处理“其他”业务
for(int index = 0 ; index < 5 ; index++) {
Thread childThread = new Thread() {
@Override
public void run() {
// 可获得设置的屏障数值
// int parties = cyclicBarrier.getParties();
// 可获取当前已经进入等待状态的任务数量
// int numberWaiting = cyclicBarrier.getNumberWaiting();
TestCyclicBarrier.LOGGER.info("本线程已准备好处理业务......");
try {
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
TestCyclicBarrier.LOGGER.error(e.getMessage() , e);
}
TestCyclicBarrier.LOGGER.info("开始处理业务......");
}
};
childThread.start();
}
}
}
我们可以用下图表示以上代码的工作过程:
在上图中,CyclicBarrier的parties屏障设置为3,其意义是只要有通过CyclicBarrier的await方法进入阻塞等待的线程数量达到了3,则CyclicBarrier就解除这些线程的阻塞状态让他们可以继续执行。所以可以理解为CyclicBarrier的计数功能是可重复使用的,当等待的线程数量达到了设置的屏障值就放行这些线程。
3-4-4、使用CyclicBarrier改写“比赛”
下面我们将“比赛”中使用CountDownLatch实现的发令枪改写成使用CyclicBarrier来实现。改写发令枪不会使发令枪的工作职责发生任何变化,所以改写量是比较小的。另外由于这个小节中我们已经给出了很多代码了,为了节约篇幅这里只给出最小化的代码片段。
- Player选手类中,关于发令枪的定义要修改:
......
/**
* 选手所关注的发令枪
*/
private CyclicBarrier startingGun;
/**
* @param startingGun the startingGun to set
*/
public void setStartingGun(CyclicBarrier startingGun) {
this.startingGun = startingGun;
}
/**
* @return the startingGun
*/
public CyclicBarrier getStartingGun() {
return startingGun;
}
......
- Player选手类中的发令枪使用部分需要改写。使用CyclicBarrier后就不需要显示调用countDown()方法了:
......
// 申请上跑道
this.runway.acquire();
// 等待可能的发令枪
if(this.startingGun != null) {
// 执行到这里,说明这个选手已经拿到了跑到资源;
System.out.println("选手" + name + "[" + number + "],已登上跑道,等待发令枪!");
// 接下来进入“等待”状态
// 以便这个发令枪所管理的所有选手登上跑道了,再一起跑步
this.startingGun.await();
System.out.println("选手" + name + "[" + number + "],跑!");
}
// 开始正式跑步
return this.result = this.doRun();
......
- TwoTrack主操作类中,关于发令枪的定义要进行变更:从CountDownLatch变成CyclicBarrier:
......
// 这是发令枪
CyclicBarrier startingGun = null;
......
- TwoTrack主操作类中,根据条件决定CyclicBarrier中parties屏障值的代码业务要进行调整。从之前确定CountDownLatch计数初值变化而来:
......
if(index % runwayCount == 0) {
startingGun = this.signupPlayers.size() - index > runwayCount?
new CyclicBarrier(runwayCount):
new CyclicBarrier(this.signupPlayers.size() - index);
}
......
这里我们就不再赘述代码的工作效果了,因为工作效果不会有任何变化。
4、后续内容
下一篇文章开始,我们开始讲解线程间通讯。