Java多线程开发系列-线程间协作

wait(),notify()和notifyAll()

他们都是java.lang.Object的方法：

wait(): Causes the current thread to wait until another thread invokes the notify() method or the notifyAll() method for this object.
notify(): Wakes up a single thread that is waiting on this object's monitor.
notifyAll(): Wakes up all threads that are waiting on this object's monitor.

wait()的使用方式：

synchronized( lockObject )
{ 
    while( ! condition )
    { 
        lockObject.wait();
    }
     
    //take the action here;
}

notify()的使用方式：

synchronized(lockObject) 
{
    //establish_the_condition;
 
    lockObject.notify();
     
    //any additional code if needed
}

都需要同步，但notify不用在循环里。

notifyAll()的使用方式：

synchronized(lockObject) 
{
    establish_the_condition;
 
    lockObject.notifyAll();
}

一般情况下使用notifyAll()，notify()较难掌控，容易出现想不到的问题。（牺牲性能，满足安全）

一个简单的例子，2对执行完5遍之后最终将有2个线程一直在waiting状态：

public class OutputThread1 {
  private static Object lock;

  public static void main(String[] args) {
    lock = new Object();

    Thread1 thread1 = new Thread1();
    Thread2 thread2 = new Thread2();
    Thread3 thread3 = new Thread3();
    Thread3 thread4 = new Thread3();

    thread1.start();
    thread2.start();
    thread3.start();
    thread4.start();

  }

  static class Thread1 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
      synchronized (lock) {
        while (true) {
          try {
            lock.wait();
          } catch (InterruptedException e) {
          }
          System.out
              .println("线程" + Thread.currentThread().getName() + ":" + "wait");
        }
      }
    }
  }

  static class Thread2 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
      synchronized (lock) {
        while (true) {
          try {
            lock.wait();
          } catch (InterruptedException e) {
          }
          System.out
              .println("线程" + Thread.currentThread().getName() + ":" + "wait");
        }
      }
    }
  }

  static class Thread3 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
      for (int i = 0; i < 6; i++) {
        synchronized (lock) {
          try {
            Thread.sleep(100);
            lock.notifyAll();
          } catch (Exception e) {
          }
          System.out.println(
              "线程" + Thread.currentThread().getName() + ":" + "notifyAll");
        }
      }
    }
  }

}

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一个依次输出121212...的例子

public class OutputThread implements Runnable {

  private int num;
  private Object lock;
  
  public OutputThread(int num, Object lock) {
      super();
      this.num = num;
      this.lock = lock;
  }

  public void run() {
      try {
          while(true){
              synchronized(lock){
                  lock.notify();
                  lock.wait();
                  System.out.println( Thread.currentThread().getName() + ":" +num);
              }
          }
      } catch (InterruptedException e) {
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
      }
      
  }
  
  public static void main(String[] args){
      final Object lock = new Object();
      
      Thread thread1 = new Thread(new OutputThread(1,lock));
      Thread thread2 = new Thread(new OutputThread(2, lock));
      //Thread thread3 = new Thread(new OutputThread(3, lock));
      
      thread1.start();
      thread2.start();
      //thread3.start();
  }

}

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一个最简单的生产者、消费者的例子

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ProducerConsumerExampleWithWaitAndNotify {
  public static void main(String[] args)
  {
     List<Integer> taskQueue = new ArrayList<Integer>();
     int MAX_CAPACITY = 5;
     Thread tProducer = new Thread(new Producer(taskQueue, MAX_CAPACITY), "Producer");
     Thread tConsumer = new Thread(new Consumer(taskQueue), "Consumer");
     tProducer.start();
     tConsumer.start();
  } 
}

class Producer implements Runnable
{
   private final List<Integer> taskQueue;
   private final int           MAX_CAPACITY;
 
   public Producer(List<Integer> sharedQueue, int size)
   {
      this.taskQueue = sharedQueue;
      this.MAX_CAPACITY = size;
   }
 
   @Override
   public void run()
   {
      int counter = 0;
      while (true)
      {
         try
         {
            produce(counter++);
         } 
         catch (InterruptedException ex)
         {
            ex.printStackTrace();
         }
      }
   }
 
   private void produce(int i) throws InterruptedException
   {
      synchronized (taskQueue)
      {
         while (taskQueue.size() == MAX_CAPACITY)
         {
            System.out.println("Queue is full " + Thread.currentThread().getName() + " is waiting , size: " + taskQueue.size());
            taskQueue.wait();
         }
           
         Thread.sleep(1000);
         taskQueue.add(i);
         System.out.println("Produced: " + i);
         taskQueue.notifyAll();
      }
   }
}
class Consumer implements Runnable
{
   private final List<Integer> taskQueue;
 
   public Consumer(List<Integer> sharedQueue)
   {
      this.taskQueue = sharedQueue;
   }
 
   @Override
   public void run()
   {
      while (true)
      {
         try
         {
            consume();
         } catch (InterruptedException ex)
         {
            ex.printStackTrace();
         }
      }
   }
 
   private void consume() throws InterruptedException
   {
      synchronized (taskQueue)
      {
         while (taskQueue.isEmpty())
         {
            System.out.println("Queue is empty " + Thread.currentThread().getName() + " is waiting , size: " + taskQueue.size());
            taskQueue.wait();
         }
         Thread.sleep(1000);
         int i = (Integer) taskQueue.remove(0);
         System.out.println("Consumed: " + i);
         taskQueue.notifyAll();
      }
   }
}

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为什么要用notifyAll()方法，用notify()行吗。
很多人在回答第二个问题的时候会想当然的说notify()是唤醒一个线程，notifyAll()是唤醒全部线程，但是唤醒然后呢，不管是notify()还是notifyAll()，最终拿到锁的只会有一个线程，那它们到底有什么区别呢？
其实这是一个对象内部锁的调度问题，要回答这两个问题，首先我们要明白java中对象锁的模型，JVM会为一个使用内部锁（synchronized）的对象维护两个集合，Entry Set和Wait Set，也有人翻译为锁池和等待池，意思基本一致。
对于Entry Set：如果线程A已经持有了对象锁，此时如果有其他线程也想获得该对象锁的话，它只能进入Entry Set，并且处于线程的BLOCKED状态。
对于Wait Set：如果线程A调用了wait()方法，那么线程A会释放该对象的锁，进入到Wait Set，并且处于线程的WAITING状态。
还有需要注意的是，某个线程B想要获得对象锁，一般情况下有两个先决条件，一是对象锁已经被释放了（如曾经持有锁的前任线程A执行完了synchronized代码块或者调用了wait()方法等等），二是线程B已处于RUNNABLE状态。
那么这两类集合中的线程都是在什么条件下可以转变为RUNNABLE呢？
对于Entry Set中的线程，当对象锁被释放的时候，JVM会唤醒处于Entry Set中的某一个线程，这个线程的状态就从BLOCKED转变为RUNNABLE。
对于Wait Set中的线程，当对象的notify()方法被调用时，JVM会唤醒处于Wait Set中的某一个线程，这个线程的状态就从WAITING转变为RUNNABLE；或者当notifyAll()方法被调用时，Wait Set中的全部线程会转变为RUNNABLE状态。所有Wait Set中被唤醒的线程会被转移到Entry Set中。
然后，每当对象的锁被释放后，那些所有处于RUNNABLE状态的线程会共同去竞争获取对象的锁，最终会有一个线程（具体哪一个取决于JVM实现，队列里的第一个？随机的一个？）真正获取到对象的锁，而其他竞争失败的线程继续在Entry Set中等待下一次机会。

Condition

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition，在阻塞队列那一篇博文中就讲述到了，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用
　　Conditon中的await()对应Object的wait()；
　　Condition中的signal()对应Object的notify()；
　　Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()

例子,使用重入锁，和两个Condition实例

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Test {
  private int queueSize = 10;
  private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
  private Lock lock = new ReentrantLock();
  private Condition notFull = lock.newCondition();
  private Condition notEmpty = lock.newCondition();
   
  public static void main(String[] args)  {
      Test test = new Test();
      Producer producer = test.new Producer();
      Consumer consumer = test.new Consumer();
        
      producer.start();
      consumer.start();
  }
    
  class Consumer extends Thread{
        
      @Override
      public void run() {
          consume();
      }
        
      private void consume() {
          while(true){
              lock.lock();
              try {
                  while(queue.size() == 0){
                      try {
                          System.out.println("队列空，等待数据");
                          notEmpty.await();
                      } catch (InterruptedException e) {
                          e.printStackTrace();
                      }
                  }
                  queue.poll();                //每次移走队首元素
                  notFull.signal();
                  System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
              } finally{
                  lock.unlock();
              }
          }
      }
  }
    
  class Producer extends Thread{
        
      @Override
      public void run() {
          produce();
      }
        
      private void produce() {
          while(true){
              lock.lock();
              try {
                  while(queue.size() == queueSize){
                      try {
                          System.out.println("队列满，等待有空余空间");
                          notFull.await();
                      } catch (InterruptedException e) {
                          e.printStackTrace();
                      }
                  }
                  queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                  notEmpty.signal();
                  System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
              } finally{
                  lock.unlock();
              }
          }
      }
  }
}

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join

在很多情况下，主线程生成并起动了子线程，如果子线程里要进行大量的耗时的运算，主线程往往将于子线程之前结束，但是如果主线程处理完其他的事务后，需要用到子线程的处理结果，也就是主线程需要等待子线程执行完成之后再结束，这个时候就要用到join()方法了。
join()的作用是：“等待该线程终止”，这里需要理解的就是该线程是指的主线程等待子线程的终止。也就是在子线程调用了join()方法后面的代码，只有等到子线程结束了才能执行。
例子

public class JoinExample
{
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException
   {
      Thread t = new Thread(new Runnable()
         {
            public void run()
            {
               System.out.println("First task started");
               System.out.println("Sleeping for 2 seconds");
               try
               {
                  Thread.sleep(2000);
               } catch (InterruptedException e)
               {
                  e.printStackTrace();
               }
               System.out.println("First task completed");
            }
         });
      Thread t1 = new Thread(new Runnable()
         {
            public void run()
            {
               System.out.println("Second task completed");
            }
         });
      t.start(); // Line 15
      t.join(); // Line 16
      t1.start();
   }
}

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yield

yield意味着放手。一个线程告诉虚拟机它愿意让其他线程在它当前的位置被调度。这表明它主观想停一停（我不太忙，我做了个标记，等有空的时候再来标记处继续干，你们其他线程来抢吧）。
不过，请注意，这只是一个提示，并不能保证会有任何效果。Yield是一种静态方法，也是本地方法。Yield告诉当前执行的线程给线程池中具有相同优先级的线程一个机会。
它只能使线程从运行状态变为可运行状态，而不能处于等待或阻止状态。

这个例子表明这2个线程都有互相谦让的美德：

public class YieldExample
{
   public static void main(String[] args)
   {
      Thread producer = new Producer1();
      Thread consumer = new Consumer1();
       
      producer.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY); //Min Priority
      consumer.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); //Max Priority
       
      producer.start();
      consumer.start();
   }
}
 
class Producer1 extends Thread
{
   public void run()
   {
      for (int i = 0; i < 5; i++)
      {
         System.out.println("I am Producer : Produced Item " + i);
         Thread.yield();
      }
   }
}
 
class Consumer1 extends Thread
{
   public void run()
   {
      for (int i = 0; i < 5; i++)
      {
         System.out.println("I am Consumer : Consumed Item " + i);
         Thread.yield();
      }
   }
}

Output of above program “without” yield() method
I am Consumer : Consumed Item 0
 I am Consumer : Consumed Item 1
 I am Consumer : Consumed Item 2
 I am Consumer : Consumed Item 3
 I am Consumer : Consumed Item 4
 I am Producer : Produced Item 0
 I am Producer : Produced Item 1
 I am Producer : Produced Item 2
 I am Producer : Produced Item 3
 I am Producer : Produced Item 4

Output of above program “with” yield() method added
I am Producer : Produced Item 0
 I am Consumer : Consumed Item 0
 I am Producer : Produced Item 1
 I am Consumer : Consumed Item 1
 I am Producer : Produced Item 2
 I am Consumer : Consumed Item 2
 I am Producer : Produced Item 3
 I am Consumer : Consumed Item 3
 I am Producer : Produced Item 4
 I am Consumer : Consumed Item 4

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CountDownLatch

CountDownLatch是一个计数器闭锁，通过它可以完成类似于阻塞当前线程的功能，即：一个线程或多个线程一直等待，直到其他线程执行的操作完成。CountDownLatch用一个给定的计数器来初始化，该计数器的操作是原子操作，即同时只能有一个线程去操作该计数器。调用该类await方法的线程会一直处于阻塞状态，直到其他线程调用countDown方法使当前计数器的值变为零，每次调用countDown计数器的值减1。当计数器值减至零时，所有因调用await()方法而处于等待状态的线程就会继续往下执行。这种现象只会出现一次，因为计数器不能被重置，如果业务上需要一个可以重置计数次数的版本，可以考虑使用CycliBarrier。
在某些业务场景中，程序执行需要等待某个条件完成后才能继续执行后续的操作；典型的应用如并行计算，当某个处理的运算量很大时，可以将该运算任务拆分成多个子任务，等待所有的子任务都完成之后，父任务再拿到所有子任务的运算结果进行汇总。
在一些应用场合中，需要等待某个条件达到要求后才能做后面的事情；同时当线程都完成后也会触发事件，以便进行后面的操作。这个时候就可以使用CountDownLatch。CountDownLatch最重要的方法是countDown()和await()，前者主要是倒数一次，后者是等待倒数到0，如果没有到达0，就只有阻塞等待了。

public void countDown()

递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。如果当前计数大于零，则将计数减少。如果新的计数为零，出于线程调度目的，将重新启用所有的等待线程。
如果当前计数等于零，则不发生任何操作。

public boolean await(long timeout,TimeUnit unit) throws InterruptedException

使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。如果当前计数为零，则此方法立刻返回 true 值。
如果当前计数大于零，则出于线程调度目的，将禁用当前线程，且在发生以下三种情况之一前，该线程将一直处于休眠状态：

以下例子在检测完3个子服务后，启动主服务。

public abstract class BaseHealthChecker implements Runnable {
     
    private CountDownLatch _latch;
    private String _serviceName;
    private boolean _serviceUp;
     
    //Get latch object in constructor so that after completing the task, thread can countDown() the latch
    public BaseHealthChecker(String serviceName, CountDownLatch latch)
    {
        super();
        this._latch = latch;
        this._serviceName = serviceName;
        this._serviceUp = false;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        try {
            verifyService();
            _serviceUp = true;
        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace(System.err);
            _serviceUp = false;
        } finally {
            if(_latch != null) {
                _latch.countDown();
            }
        }
    }
 
    public String getServiceName() {
        return _serviceName;
    }
 
    public boolean isServiceUp() {
        return _serviceUp;
    }
    //This methos needs to be implemented by all specific service checker
    public abstract void verifyService();
}

public class NetworkHealthChecker extends BaseHealthChecker
{
    public NetworkHealthChecker (CountDownLatch latch)  {
        super("Network Service", latch);
    }
     
    @Override
    public void verifyService() 
    {
        System.out.println("Checking " + this.getServiceName());
        try
        {
            Thread.sleep(7000);
        } 
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(this.getServiceName() + " is UP");
    }
}

public class ApplicationStartupUtil 
{
    //List of service checkers
    private static List<BaseHealthChecker> _services;
     
    //This latch will be used to wait on
    private static CountDownLatch _latch;
     
    private ApplicationStartupUtil()
    {
    }
     
    private final static ApplicationStartupUtil INSTANCE = new ApplicationStartupUtil();
     
    public static ApplicationStartupUtil getInstance()
    {
        return INSTANCE;
    }
     
    public static boolean checkExternalServices() throws Exception
    {
        //Initialize the latch with number of service checkers
        _latch = new CountDownLatch(3);
         
        //All add checker in lists
        _services = new ArrayList<BaseHealthChecker>();
        _services.add(new NetworkHealthChecker(_latch));
        _services.add(new CacheHealthChecker(_latch));
        _services.add(new DatabaseHealthChecker(_latch));
         
        //Start service checkers using executor framework
        Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(_services.size());
         
        for(final BaseHealthChecker v : _services) 
        {
            executor.execute(v);
        }
         
        //Now wait till all services are checked
        _latch.await();
         
        //Services are file and now proceed startup
        for(final BaseHealthChecker v : _services) 
        {
            if( ! v.isServiceUp())
            {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) 
    {
        boolean result = false;
        try {
            result = ApplicationStartupUtil.checkExternalServices();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("External services validation completed !! Result was :: "+ result);
    }
}
 
Output in console:
 
Checking Network Service
Checking Cache Service
Checking Database Service
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CyclicBarrier

字面意思回环栅栏，通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行。

它更多是统一一组线程，做统一规划，协调线程组步调，比如在run方法的某一点设置一个标记点，指定线程组数量，在一个点中断-续做。

叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用。我们暂且把这个状态就叫做barrier，当调用await()方法之后，线程就处于barrier了。

　　CyclicBarrier类位于java.util.concurrent包下，CyclicBarrier提供2个构造器：

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
public CyclicBarrier(int parties)

　　参数parties指让多少个线程或者任务等待至barrier状态；参数barrierAction为当这些线程都达到barrier状态时会执行的内容。

　　最重要的方法就是await方法，它有2个重载版本：

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };
public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { };

　　第一个比较常用，用来挂起当前线程，直至所有线程都到达barrier状态再同时执行后续任务；

　　第二个是让这些线程等待至一定的时间，如果还有线程没有到达barrier状态就直接让到达barrier的线程执行后续任务。

例子：

public class HelloHP {
  public static void main(String args[])
      throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(4);
    Party first = new Party(1000, barrier, "PARTY-1");
    Party second = new Party(2000, barrier, "PARTY-2");
    Party third = new Party(3000, barrier, "PARTY-3");
    Party fourth = new Party(4000, barrier, "PARTY-4");
    first.start();
    second.start();
    third.start();
    fourth.start();
  }
}

class Party extends Thread {
  private int duration;
  private CyclicBarrier barrier;

  public Party(int duration, CyclicBarrier barrier, String name) {
    super(name);
    this.duration = duration;
    this.barrier = barrier;
  }

  @Override
  public void run() {
    try {
      Thread.sleep(duration);
      System.out
          .println(Thread.currentThread().getName() + " 第一次列队");
      barrier.await();
      System.out.println(
          Thread.currentThread().getName() + " 最后一次列队");
    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

PARTY-1 第一次列队
PARTY-2 第一次列队
PARTY-3 第一次列队
PARTY-4 第一次列队
PARTY-1 最后一次列队
PARTY-3 最后一次列队
PARTY-4 最后一次列队
PARTY-2 最后一次列队

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包含2个构造函数的用法。参数barrierAction为当这些线程都达到barrier状态时会执行的内容

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
 
public class CyclicDemo {
 
    public static void main(String[] args) {
        
        List<Integer> dataList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
        // Initializing cyclicbarrier
        CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(3, new ListBarrierAction(dataList));
        // starting threads
        for(int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new ListWorker(dataList, cb)).start();;
        }
 
    }    
}
 
class ListWorker implements Runnable{
    private CyclicBarrier cb;
    private List<Integer> dataList;
    ListWorker(List<Integer> dataList, CyclicBarrier cb) {
        this.dataList = dataList;
        this.cb = cb;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Executing run method for thread - " + Thread.currentThread().getName());
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            dataList.add(i);
        }
        
        try {
            System.out.println("Calling await.. " + Thread.currentThread().getName());
            cb.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    
    }
}
// Barrier action to be executed when barrier is tripped
class ListBarrierAction implements Runnable {
    private List<Integer> dataList;
    ListBarrierAction(List<Integer> dataList){
        this.dataList = dataList;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("In ListBarrierAction, start further processing on list with length " + dataList.size());
    }
}


Executing run method for thread - Thread-0
Calling await.. Thread-0
Executing run method for thread - Thread-2
Executing run method for thread - Thread-1
Calling await.. Thread-2
Calling await.. Thread-1
In ListBarrierAction, start further processing on list with length 30

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注意，使用了Collections.synchronizedList来保证线程安全。

Semaphore

Semaphore翻译成字面意思为信号量，Semaphore可以控同时访问的线程个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。

　　Semaphore类位于java.util.concurrent包下，它提供了2个构造器：

public Semaphore(int permits) {          //参数permits表示许可数目，即同时可以允许多少线程进行访问
    sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {    //这个多了一个参数fair表示是否是公平的，即等待时间越久的越先获取许可
    sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

　　下面说一下Semaphore类中比较重要的几个方法，首先是acquire()、release()方法：

public void acquire() throws InterruptedException { } //获取一个许可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { } //获取permits个许可
public void release() { } //释放一个许可
public void release(int permits) { } //释放permits个许可

　　acquire()用来获取一个许可，若无许可能够获得，则会一直等待，直到获得许可。

　　release()用来释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。
假若一个工厂有5台机器，但是有8个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 8;            //工人数
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Worker(i,semaphore).start();
    }
     
    static class Worker extends Thread{
        private int num;
        private Semaphore semaphore;
        public Worker(int num,Semaphore semaphore){
            this.num = num;
            this.semaphore = semaphore;
        }
         
        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人"+this.num+"占用一个机器在生产...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("工人"+this.num+"释放出机器");
                semaphore.release();           
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

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CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同：CountDownLatch一般用于某个线程A等待若干个其他线程执行完任务之后，它才执行；而CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行；
另外，CountDownLatch是不能够重用的，而CyclicBarrier是可以重用的。
Semaphore其实和锁有点类似，它一般用于控制对某组资源的访问权限。

Exchanger

Exchanger 是 JDK 1.5 开始提供的一个用于两个工作线程之间交换数据的封装工具类，简单说就是一个线程在完成一定的事务后想与另一个线程交换数据，则第一个先拿出数据的线程会一直等待第二个线程，直到第二个线程拿着数据到来时才能彼此交换对应数据。其定义为 Exchanger<V> 泛型类型，其中 V 表示可交换的数据类型，对外提供的接口很简单，具体如下：

Exchanger()：无参构造方法。
V exchange(V v)：等待另一个线程到达此交换点（除非当前线程被中断），然后将给定的对象传送给该线程，并接收该线程的对象。
V exchange(V v, long timeout, TimeUnit unit)：等待另一个线程到达此交换点（除非当前线程被中断或超出了指定的等待时间），然后将给定的对象传送给该线程，并接收该线程的对象。

可以看出，当一个线程到达 exchange 调用点时，如果其他线程此前已经调用了此方法，则其他线程会被调度唤醒并与之进行对象交换，然后各自返回；如果其他线程还没到达交换点，则当前线程会被挂起，直至其他线程到达才会完成交换并正常返回，或者当前线程被中断或超时返回。
例子：

import java.util.concurrent.Exchanger;

public class RunExchange {
  
  public static void main(String[] args) {
    Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();
    Car car = new Car(exchanger);
    Bike bike = new Bike(exchanger);
    car.start();
    bike.start();
    System.out.println("exchanger end by:");
    System.out.println("Main end!");
}

}

class Bike extends Thread {
  private Exchanger<String> exchanger;

  public Bike(Exchanger<String> exchanger) {
      super();
      this.exchanger = exchanger;
  }

  @Override
  public void run() {
      try {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + exchanger.exchange("Bike"));
      } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
      }
  }
}

class Car extends Thread {
  private Exchanger<String> exchanger;

  public Car(Exchanger<String> exchanger) {
      super();
      this.exchanger = exchanger;
  }

  @Override
  public void run() {
      try {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + exchanger.exchange("Car"));
      } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
      }
  }
}

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阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。
1）支持阻塞的插入方法：意思是当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。
2）支持阻塞的移除方法：意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。

ArrayBlockingQueue:一个由数组结构组成的有界阻塞队列。基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。
LinkedBlockingQueue:一个由链表结构组成的有界阻塞队列。基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。
PriorityBlockingQueue:一个支持优先级排序的无界阻塞队列.以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。
DelayQueue:一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列.基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。
SynchronousQueue:一个生产和消费作业均衡的阻塞队列。

ArrayBlockingQueue

特点：

ArrayBlockingQueue是由数组支持的固定大小的有界队列。
元素FIFO（先进先出）。
元素被插入到尾部，并从队列的头部检索。
一旦创建，就不能更改队列的容量。
它提供阻塞插入和检索操作。
它不允许空对象。
ArrayBlockingQueue是线程安全的。
方法Iterator（）中提供的迭代器按从第一个（head）到最后一个（tail）的顺序遍历元素。
ArrayBlockingQueue支持可选的公平性策略，用于排序等待的生产者和使用者线程。公平性设置为true时，队列按FIFO顺序授予线程访问权。ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

1.非阻塞队列中的几个主要方法：

　　add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；
　　remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；
　　offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；
　　poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；
　　peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null
　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2.阻塞队列中的几个主要方法：
　　阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：

　　put(E e)
　　take()
　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)
　　poll(long timeout, TimeUnit unit)

原生代码：
使用可重入锁ReentrantLock保障公平性，使用Condition来判满和判空。

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 
private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
 
/** The queued items  */
private final E[] items;
/** items index for next take, poll or remove */
private int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add. */
private int putIndex;
/** Number of items in the queue */
private int count;
 
/*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/
 
/** Main lock guarding all access */
private final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;

...
public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    final E[] items = this.items;
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
        } catch (InterruptedException ie) {
            notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
            throw ie;
        }
        insert(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
...
public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
        } catch (InterruptedException ie) {
            notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
            throw ie;
        }
        E x = extract();
        return x;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
}

一个应用的例子：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
public class ArrayBlockingQueueExample 
{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
    {
        ArrayBlockingQueue<Integer> priorityBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
 
        //Producer thread
        new Thread(() -> 
        {
            int i = 0;
            try
            {
                while (true) 
                {
                    priorityBlockingQueue.put(++i);
                    System.out.println("Added : " + i);
                     
                    Thread.sleep(TimeUnit.SECONDS.toMillis(1));
                }
 
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
 
        }).start();
 
        //Consumer thread
        new Thread(() -> 
        {
            try
            {
                while (true) 
                {
                    Integer poll = priorityBlockingQueue.take();
                    System.out.println("Taked : " + poll);
                     
                    Thread.sleep(TimeUnit.SECONDS.toMillis(2));
                }
 
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
 
        }).start();
    }
}

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LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue基于链接节点，其中每个节点保存对下一个节点的引用。每次插入时都会动态创建链接节点，除非这会使队列超过容量。
此队列对元素FIFO（先进先出）进行排序。队列的头是队列中出现时间最长的元素。队列的尾部是在队列中出现的时间最短的元素。在队列的尾部插入新元素，队列检索操作在队列的头部获取元素。
特点：

LinkedBlockingQueue是可选的有界阻塞队列，默认无界容量(Integer.MAX_VALUE)，也可以指定固定大小（public LinkedBlockingQueue(int capacity)）。
是线程安全的。类中的所有排队方法都在内部使用ReentrantLock原子地实现其效果。
LinkedBlockingQueue不允许空元素。它在尝试添加、放置或提供null时抛出NullPointerException。
其他的和ArrayBlockingQueue类似。

以下是指定一个有界为5的队列，满5生产者就阻塞。

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class LinkedBQ {
  
  public static void main(String[] args) {        
      // shared queue
      BlockingQueue<Integer> bQueue = new LinkedBlockingQueue<>(5);
      ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
      executor.execute(new LinkedProducer(bQueue));
      executor.execute(new LinkedConsumer(bQueue));
      executor.shutdown();
  }
}

//Producer
class LinkedProducer implements Runnable{
  BlockingQueue<Integer> bQueue;
  LinkedProducer(BlockingQueue<Integer> bQueue){
      this.bQueue = bQueue;
  }
  @Override
  public void run() {
      for(int i = 1; i < 11; i++){
          try {
              bQueue.put(i);
              System.out.println("Added to queue:" + i);
          } catch (InterruptedException e) {
              // TODO Auto-generated catch block
              e.printStackTrace();
          }
      }
  }
}
//Consumer
class LinkedConsumer implements Runnable{
  BlockingQueue<Integer> bQueue;
  LinkedConsumer(BlockingQueue<Integer> bQueue){
      this.bQueue = bQueue;
  }
  @Override
  public void run() {
      for(int i = 1; i < 11; i++){
          try {
              System.out.println("Consumer retrieved: " + bQueue.take());
          } catch (InterruptedException e) {
              // TODO Auto-generated catch block
              e.printStackTrace();
          }
      }
  }
}

Added to queue:1
Added to queue:2
Added to queue:3
Added to queue:4
Added to queue:5
Consumer retrieved: 1
Consumer retrieved: 2
Consumer retrieved: 3
Consumer retrieved: 4
Consumer retrieved: 5
Added to queue:6
Consumer retrieved: 6
Added to queue:7
Added to queue:8
Added to queue:9
Consumer retrieved: 7
Added to queue:10
Consumer retrieved: 8
Consumer retrieved: 9
Consumer retrieved: 10

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PriorityBlockingQueue

是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以通过自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化PriorityBlockingQueue时，指定构造参数Comparator对元素进行排序，但不能保证同优先级元素的顺序。
例如：

public class PriorityBQ {
 
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> bQueue = new PriorityBlockingQueue<>(10, new MyComparator());    
        // adding elements
        bQueue.add(10);
        bQueue.add(5);
        bQueue.add(1);
        bQueue.add(3);
        // retrieving (head of the queue)        
        System.out.println("Element- " + bQueue.poll());
    }
}
//Comparator class
class MyComparator implements Comparator<Integer>{
 @Override
 public int compare(Integer o1, Integer o2) {
     return o2.compareTo(o1);
 }    
}

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SynchronousQueue

没有内部容量。他的名字已经很清晰了：“同步队列”，生产即必须同步消费。
由于没有容量，每个插入操作都必须等待另一个线程执行相应的读取操作。例如，如果使用put（）方法将元素插入同步队列，则该方法将被阻止，直到另一个线程接收到该元素。如果试图从同步队列中检索元素，并且队列方法中没有元素，则使用相同的方法等待另一个线程插入该元素。
无法查看同步队列，因为只有在尝试删除某个元素时该元素才存在。因此peek（）方法总是返回空值。
无法迭代SynchronousQueue，因为没有要迭代的内容。所以iterator（）和spliterator（）方法分别返回一个空的iterator或spliterator。
Java中的SynchronousQueue与其他BlockingQueue实现一样，不允许空元素。它在尝试添加、放置或提供null时抛出NullPointerException。

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
 
public class SychroQ {
 
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> bQueue = new SynchronousQueue<>();
        // Producer 
        new Thread(()->{
            for(int i = 0; i < 5; i++){
                try {
                    System.out.println("Added to queue " + i);
                    bQueue.put(i);
                    Thread.sleep(200);                                 
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
              }
        }).start();
        
        // Consumer
        new Thread(()->{
            for(int i = 0; i < 5; i++){
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("Consumer retrieved " + bQueue.take());                    
                    
                } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

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DelayQueue

DelayQueue中的元素只能在其延迟过期时获取。
其元素必须实现以下接口

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

以下的例子是生产者指定5秒后才能消费。

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class DQDemo {
  public static void main(String[] args) {
      // delay of 5 seconds
      final long delay = 5000;
      BlockingQueue<DelayQElement> delayQ = new DelayQueue<DelayQElement>();
      // Producer thread
      new Thread(()->{
          for(int i = 0; i < 5; i++){
              try {
                  delayQ.put(new DelayQElement("Element"+i, delay));
                  Thread.sleep(500);
              } catch (InterruptedException e) {
                  // TODO Auto-generated catch block
                  e.printStackTrace();
              }
          }
      }).start();
      
      // Consumer thread
      new Thread(()->{
          for(int i = 0; i < 5; i++){
              try {
                  System.out.println(" Consumer got - " + delayQ.take().toString());
                  Thread.sleep(1000);
              } catch (InterruptedException e) {
                  // TODO Auto-generated catch block
                  e.printStackTrace();
              }
          }
  
      }).start();
  }
}

class DelayQElement implements Delayed{
  private String queueElement;
  private long expiryTime;
  DelayQElement(String queueElement, long delay){
      this.queueElement = queueElement;
      // Expirytime is current time + delay
      this.expiryTime = System.currentTimeMillis() + delay;
      System.out.println("Putting queueElement "  + queueElement + " expiry " + this.expiryTime);
  }
  
  @Override
  public long getDelay(TimeUnit unit) {
      long diff = expiryTime - System.currentTimeMillis();
      return unit.convert(diff, TimeUnit.MILLISECONDS);
  }
  
  @Override
  public int compareTo(Delayed o) {
      if(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)){ 
          return -1; 
      } 
      if(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)){
          return 1;
      }
      return 0;     
  }
  public String toString(){
      return queueElement + " Expiry Time= " + expiryTime;
  } 
 }

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posted @ 2020-03-12 15:04 昕友软件开发阅读(312) 评论(0) 编辑收藏举报

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知行合一

Java多线程开发系列-线程间协作

wait(),notify()和notifyAll()

Condition

join

yield

CountDownLatch

CyclicBarrier

Semaphore

Exchanger

阻塞队列

ArrayBlockingQueue

LinkedBlockingQueue

PriorityBlockingQueue

SynchronousQueue

DelayQueue