第3章 JDK并发包（二）
3.1.2 重入锁的好搭档：Condition条件
- 它和wait()和notify()方法的作用是大致相同的。但是wait()和notify()方法是和synchronized关键字合作使用的，而Condition是与重入锁相关联的。通过Lock接口的Condition newCondition()方法可以生成一个与当前重入锁绑定的Condition实例。利用Condition对象，我们就可以让线程在合适的时间等待，或者在某一种特定的时刻得到通知，继续执行。
- Condition接口提供的基本方法如下：
void await() throws InterruptedException;
void awaitUninterruptibly();
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
void signal();
void signalAll();
- 以上方法的含义如下：
- await()方法使当前线程等待，同时释放当前锁，当其他线程中使用signal()或者signalAll()方法时，线程会重新获得锁并继续执行。或者当线程被中断时，也能跳出等待。这和Object.wait()方法很相似。
- awaitUninterruptibly()方法与await()方法基本相同，但是它并不会在等待过程中响应中断。
- signal()方法用于唤醒一个在等待中的线程。相对的signalAll()方法会唤醒所有在等待中的线程。这和Object.notify()方法很类似。
- 下面的代码简单演示了Condition的功能：
public class ReenterLockCondition implements Runnable {
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//通过lock生成一个与之绑定的Condition对象。
public static Condition condition = lock.newCondition();
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();
//要求线程在Condition对象上进行等待。
condition.await();
System.out.println("Thread is going on");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
ReenterLockCondition tl = new ReenterLockCondition();
Thread t1 = new Thread(tl);
t1.start();
Thread.sleep(2000);
//通知线程t1继续执行
lock.lock();
condition.signal();
//释放重入锁，否则唤醒的t1无法重新获得锁
lock.unlock();
}
}
- 当线程使用Condition.await()时，要求线程持有相关的重入锁，在Condition.await()调用后，这个线程会释放这把锁。同理，在Condition.signal()方法调用时，也要求线程先获得相关的锁。在signal()方法调用后，系统会从当前Condition对象的等待队列中，唤醒一个线程。一旦线程被唤醒，它会重新尝试获得与之绑定的重入锁，一旦成功获取，就可以继续执行了。因此，在signal()方法调用之后，一般需要释放相关的锁，谦让给被唤醒的线程，让它可以继续执行。
3.1.3 允许多个线程同时访问：信号量（Semaphore）
- 信号量为多线程协作提供了更为强大的控制方法。无论是内部锁synchronized还是重入锁ReentrantLock，一次都只允许一个线程访问一个资源，而信号量却可以指定多个线程，同时访问某一个资源。信 号量主要提供了以下构造函数：
public Semaphore(int permits)
public Semaphore(int permits, boolean fair) //第二个参数可以指定是否公平
- 在构造信号量对象时，必须要指定信号量的准入数，即同时能申请多少个许可。当每个线程每次只申请一个许可时，这就相当于指定了同时有多少个线程可以访问某一个资源。信号量的主要逻辑方法有 ：
public void acquire()
public void acquireUninterruptibly()
public boolean tryAcquire()
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
public void release()
- acquire()方法尝试获得一个准入的许可。若无法获得，则线程会等待，直到有线程释放一个许可或者当前线程被中断。acquireUninterruptibly()方法和acquire()方法类似，但是不响应中断。tryAcquire()尝试获得一个许可，如果成功返回true,失败返回false，它不会进行等待，立即返回。release()用于在线程访问资源结束后，释放一个许可，以使其他等待许可的线程可以进行资源访问。
public class SemapDemo implements Runnable {
//申明了一个包含5个许可的信号量
final Semaphore semp = new Semaphore(5);
@Override
public void run() {
try {
semp.acquire();
//模拟耗时操作
Thread.sleep(2000);
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":done!");
semp.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(20);
final SemapDemo demo = new SemapDemo();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
exec.submit(demo);
}
}
}
- 申请信号量使用require()操作，在离开时，务必使用release()释放信号量。如果不幸发生了信号量的泄露（申请了但没有释放），那么可以进入临界区的线程数量就会越来越少，直到所有的线程均不可访问。
3.1.4 ReadWriteLock 读写锁
-
ReadWriteLock是JDK5中提供的读写分离锁。读写分离锁可以有效地帮助减少锁竞争，以提升系统性能。用锁分离的机制来提升性能非常容易理解，比如线程A1、A2、A3进行写操作，B1、B2、B3进行读操作，如果使用重入锁或者内部锁，则理论上说所有读之间、读与 写之间、写与写之间都是串行操作。当B1进行读取时，B2、B3则需要等待锁。由于读操作并不对数据的完整性造成破坏，这种等待显然是不合理。因此，读写锁就有了发挥功能的余地。
-
在这种情况下，读写锁允许多个线程同时读，使得B1、B2、B3之间真正并行。但是，考虑到数据完整性，写写操作和读写操作间依然是需要相互等待和持有锁的。总的来说，读写锁的访问约束如表3.1所示。
-
如果在系统中，读操作次数远远大于写操作，则读写锁就可以发挥最大的功效，提升系统的性能。这里我给出一个稍微夸张点的案例，来说明读写锁对性能的帮助。
public class ReadWriteLockDemo {
private static Lock lock = new ReentrantLock();
private static ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
private static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
private static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
private int value;
public Object handleRead(Lock lock) throws InterruptedException {
try {
lock.lock(); //模拟读操作
Thread.sleep(1000); //读操作的耗时越多，读写锁的优势就越明显
return value;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void handleWrite(Lock lock, int index) throws InterruptedException {
try {
lock.lock(); //模拟写操作
Thread.sleep(1000);
value = index;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
final ReadWriteLockDemo demo = new ReadWriteLockDemo();
Runnable readRunnable = new Runnable() {
@Ovrride
public void run() {
try {
demo.handleRead(readLock); //读线程
//demo.handleRead(lock);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
Runnable readRunnable = new Runnable() {
@Ovrride
public void run() {
try {
demo.handleWrite(writeLock, new Random().nextInt()); //写线程
//demo.handleWrite(lock, new Random().nextInt());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
for (int i = 0; i < 18; i++) {
new Thread(readRunnable).start();
}
for (int i = 18; i < 20; i++) {
new Thread(writeRunnable).start();
}
}
}
- 如果上述读线程和写线程，使用普通的重入锁代替读写锁。那么所有的读和写线程之间都必须相互等待，因此整个程序的执行时间将长达20余秒。
3.1.5 倒计时器：CountDownLatch
- 这个工具通常用来控制线程等待，它可以让某一个线程等到直到倒计时结束，再开始执行。
- CountDownLatch的构造函数接收一个整数作为参数，即当前这个计数器的计数个数。
public CountDownLatch(int count);
- 下面这个简单的示例，演示了CountDownLatch的使用。
public class CountDownLatchDemo implements Runnable {
static final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);
static final CountDownLatchDemo demo = new CountDownLatchDemo();
@Override
public void run() {
try {
//模拟检查任务
Thread.sleep(new Random().nextInt(10) * 1000);
System.out.println("check complete");
//通知CountDownLatch，一个线程已经完成了任务，倒计时器可以减1啦。
end.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
exec.submit(demo);
}
//等待检查
end.await(); //要求主线程所有10个检查任务全部完成。主线程才能继续执行。
//发射火箭
System.out.println("Fire!");
exec.shutdown();
}
}
- 上述代码，生成一个CountDownLatch示例。计数数量为10。这表示需要有10个线程完成任务，等待在CountDownLatch上的线程才能继续执行。
- 上述案例的执行逻辑可以用图3.1简单所示。
3.1.6 循环栅栏：CyclicBarrier
- 它也可以实现线程间的计数等待，但它的功能比CountDownLatch更加复杂且强大。
- CyclicBarrier可以接收一个参数作为barrierAction。所谓barrierAction就是当计数器一次计数完成后，系统会执行的动作。如下构造函数，其中，parties表示计数总数，也就是参与的线程总数，也就是参与的线程总数。
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
- 下面的实例使用CyclicBarrier演示了司令命令士兵完成任务的场景。
public class CyclicBarrierDemo {
public static class Soldier implements Runnable {
private String soldier;
private final CyclicBarrier cyclic;
Soldier(CyclicBarrier cyclic, String soldierName) {
this.cyclic = cyclic;
this.soldier = soldierName;
}
public void run() {
try {
//等待所有士兵到齐
cyclic.await();
doWork();
//等待所有士兵完成工作
cyclic.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
void doWork() {
try {
Thread.sleep(Math.abs(new Random().nextInt() % 10000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(soldier + ":任务完成");
}
}
public static class BarrierRun implements Runnable {
boolean flag;
int N;
public BarrierRun(boolean flag, int N) {
this.flag = flag;
this.N = N;
}
public void run() {
if (flag) {
System.out.println("司令：[士兵" + N + "个，任务完成！]");
} else {
System.out.println("司令：[士兵" + N + "个，集合完毕！]");
flag = true;
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int N = 10;
Thread[] allSoldier = new Thread[N];
boolean flag = false;
CyclicBarrier cyclic = new CyclicBarrier(N, new BarrierRun(flag, N));
//设置屏障点，主要是为了执行这个方法
System.out.println("集合队伍！");
for (int i = 0; i < N; ++i) {
System.out.println("士兵 " + i + " 报道！");
allSoldier[i] = new Thread(new Soldier(cyclic, "士兵 " + i));
allSoldier[i].start();
}
}
}
- CyclicBarrier.await()方法可能会抛出两个异常。一个是InterruptedException，也就是等待过程中，线程被中断，应该说这是一个非常通用的异常。大部分迫使线程等待的方法都可能抛出这个异常，使得线程在等待时依然可以响应外部紧急事件。另外一个异常则是CyclicBarrier特有的BrokenBarrierException。一旦遇到这个异常，则表示当前的CyclicBarrier已经破损了，可能系统已经没有 办法等待所有线程到齐了。
3.1.7 线程阻塞工具类：LookSupport
- 它可以在线程内任意位置让线程阻塞。和Thread.suspend()相比，它弥补了由于resume()在前发生，导致线程无法继续执行的情况。
- LockSupport的静态方法park()可以阻塞当前线程，类似的还有parkNanos()、parkUntil()等方法。它们实现了一个限时的等待。
public class LockSupportDemo {
public static Object u = new Object();
static ChangeObjectThread t1 = new ChangeObjectThread("t1");
static ChangeObjectThread t2 = new ChangeObjectThread("t2");
public static class ChangeObjectThread extends Thread {
public ChangeObjectThread(String name) {
super.setName(name);
}
@Override
public void run() {
synchronized (u) {
System.out.println("in " + getName()); LockSupport.park();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
t1.start();
Thread.sleep(100);
t2.start();
LockSupport.unpark(t1);
LockSupport.unpark(t2);
t1.join();
t2.join();
}
}
-
它自始至终都可以正常的结束，不会因为park()方法而导致线程永久性的挂起。
-
这是因为LockSupport类使用类似信号量的机制。它为每一个线程准备了一个许可，如果许可可用，那么park()函数会立即返回，并且消费这个许可，如果许可不可用，就会阻塞。而unpark()则使得一个许可变为可用（永远只有一个）。
-
这个特点使得：即使unpark()操作发生在park()之前，它也可以使下一次的park()操作立即返回。
-
除了有定时阻塞的功能外，LockSupport.park()还能支持中断影响。但是和其他接收中断的函数不一样，LockSupport.park()不会抛出InterruptedException异常。它只是会默默的返回，但是我们可以从Thread.interrupted()等方法获得中断标记。
public class LockSupportIntDemo {
public static Object u = new Object();
static ChangeObjectThread t1 = new ChangeObjectThread("t1");
static ChangeObjectThread t2 = new ChangeObjectThread("t2");
public static class ChangeObjectThread extends Thread {
public ChangeObjectThread(String name) {
super.setName(name);
}
@Override
public void run() {
synchronized (u) {
System.out.println("in " + getName()); LockSupport.park();
if (Thread.interrupted()) {
System.out.println(getName + " 被中断了");
}
}
System.out.println(getName + "执行结束")l
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
t1.start();
Thread.sleep(100);
t2.start();
t1.interrupt();
LockSupport.unpark(t2);
}
}
- t1.interrupt()中断了处于park()状态的t1。之后，t1可以马上响应这个中断，并且返回。之后在外面等待的t2才可以进入临界区，并最终由LockSupport.unpark(t2)操作使其运行结束。
in t1
t1 被中断了
t1 执行结束
in t2
t2 执行结束。
