并发工具类 Semaphore & CountDownLatch & CyclicBarrier & Executors & 面试应用
1、Semaphore
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，它是共享锁的方式。 Semaphore可以用于做流量控制，特别是公用资源有限的应用场景。
1.1 构造方法
public Semaphore(int permits)； // 默认非公平所
public Semaphore(int permits, boolean fair)； // permits 表示许可线程的数量，fair为true表示公平锁，fair为false表示非公平锁；
1.2 重要方法
public void acquire() throws InterruptedException; // 获取许可，默认1
public void release()； // 释放许可，默认1
tryAcquire（long timeout, TimeUnit unit） // 尝试获取； timeout 超时时间， unit为超时时间的单位
public class SemaphoreSample {
public static void main(String[] args) {
Semaphore semaphore = new Semaphore(3); //创建许可大小为3的
for (int i=0; i<5; i++){
new Thread(new Task(semaphore,"线程"+i)).start();
}
}
static class Task extends Thread{
Semaphore semaphore;
public Task(Semaphore semaphore,String tname){
this.semaphore = semaphore;
this.setName(tname);
}
public void run() {
try {
semaphore.acquire(); //获取1个许可
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":aquire() at time:"+ new Date());
Thread.sleep(2000);
semaphore.release(); //释放1个许可
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
运行结果：
Thread-1:aquire() at time:Fri Jun 12 21:27:57 CST 2020
Thread-7:aquire() at time:Fri Jun 12 21:27:57 CST 2020
Thread-3:aquire() at time:Fri Jun 12 21:27:57 CST 2020
Thread-9:aquire() at time:Fri Jun 12 21:27:59 CST 2020
Thread-5:aquire() at time:Fri Jun 12 21:27:59 CST 2020
从以上的结果可以看到，最多3个线程同时在运行；一次只有3个线程执行 acquire()，只有线程进行 release() 方法后才会有别的线程执行 acquire()。
Semaphore 使用的也是 AQS，可以去分析源码，可以与 ReentrantLock 类比，过程基本一样；https://www.cnblogs.com/yufeng218/p/13090453.html
注意：因为为共享锁，当唤醒队列头节点的时候，发现其状态为广播状态(waitStatus = Node.PROPAGATE)，可以依次向后唤醒节点；
2、CountDownLatch
2.1 CountDownLatch 是什么
CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。
假如有这样一个需求：我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据，此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()方法。
public class JoinDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
});
Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("parser2 finish");
}
});
parser1.start();
parser2.start();
parser1.join();
parser2.join();
System.out.println("all parser finish");
}
}
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等待。
在JDK 1.5之后的并发包中提供的CountDownLatch也可以实现join的功能，并且比join的功能更多。
2.2 CountDownLatch 怎么工作？
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CountDownLatch的countDown方法时，N就会减1，CountDownLatch的await方法会阻塞当前线程，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，只需要把这个CountDownLatch的引用传递到线程里即可。
public class CountDownLatchDemo {
static int num = 3;
//定义CountDownLatch
static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(num);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for(int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
Integer integer = Integer.valueOf(Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(2000 * integer);
}
catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println( "线程" + integer + new Date());
countDownLatch.countDown();
}
}, "" + i).start();
}
System.out.println("主线程等待" + num + "个线程执行完毕后再执行");
countDownLatch.await(); //等待线程池中的3个任务执行完毕，否则一直等待
System.out.println("继续执行主线程....");
}
}
运行结果：
主线程等待3个线程执行完毕后再执行
线程0Fri Jun 12 22:38:06 CST 2020
线程1Fri Jun 12 22:38:08 CST 2020
线程2Fri Jun 12 22:38:10 CST 2020
继续执行主线程....
线程3Fri Jun 12 22:38:12 CST 2020
线程4Fri Jun 12 22:38:14 CST 2020
如果有某个线程处理得比较慢，我们不可能让主线程一直等待，所以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。
public class CountDownLatchTest {
static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
System.out.println("线程1--执行1");
countDownLatch.countDown();
System.out.println("线程1--执行2");
countDownLatch.countDown();
try {
Thread.sleep(2000);
}
catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程1--执行3");
}).start();
new Thread(() -> {
System.out.println("线程2--执行1");
countDownLatch.countDown();
}).start();
countDownLatch.await(); //等待
System.out.println("主线程执行");
}
}
3、CyclicBarrier
3.1 栅栏的概念
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运行。
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；当拦截够了指定数量的线程之后会继续执行，并将栅栏的拦截线程数恢复为初始化后的数量。
public class CyclicBarrierTest implements Runnable {
private CyclicBarrier cyclicBarrier;
private int index ;
public CyclicBarrierTest(CyclicBarrier cyclicBarrier, int index) {
this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
this.index = index;
}
public void run() {
try {
System.out.println("index: " + index);
index--;
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(11, new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("所有特工到达屏障，准备开始执行秘密任务");
}
}); //栅栏构造方法
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new CyclicBarrierTest(cyclicBarrier, i)).start();
}
cyclicBarrier.await();
System.out.println("全部到达屏障--1....");
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new CyclicBarrierTest(cyclicBarrier, i)).start();
}
cyclicBarrier.await();
System.out.println("全部到达屏障--2....");
}
}
3.2 应用场景
可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。例如，用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个账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。
4、Executors
Java 5+中的Executor接口定义一个执行线程的工具。它的子类型即线程池接口是ExecutorService。要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，因此在工具类 Executors 面提供了一些静态工厂方法，生成一些常用的线程池，如下所示：
- newSingleThreadExecutor：创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行(FIFO)。
- newFixedThreadPool：创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。
- newCachedThreadPool：创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，那么就会回收部分空闲（60秒不执行任务）的线程，当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对线程池大小做限制（Interger. MAX_VALUE），线程池大小完全依赖于操作系统（或者说JVM）能够创建的最大线程大小。
- newScheduledThreadPool：创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。
Executors的使用参见：https://www.cnblogs.com/yufeng218/p/9941135.html
5、面试题：有A,B,C三个线程，如何保证三个线程同时执行?如何在并发情况下保证三个线程依次执行?如何保证三个线程有序交错进行?
（1）有A,B,C三个线程，如何保证三个线程同时执行?
保证线程同时执行可以用于并发测试。可以使用倒计时锁 CountDownLatch 实现让三个线程同时执行。
import java.util.concurrent.CountDownLatch; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; public class MyCounntDownLatch { /** * A、B、C三个线程同时执行 */ public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1); for (int i = 0; i < 3; i++) { int num = i; executorService.execute(() -> { try { countDownLatch.await(); System.out.println("线程" + num + " :" + System.currentTimeMillis()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); } // 休眠给cpu准备线程的时间 Thread.sleep(100); countDownLatch.countDown(); executorService.shutdown(); } }
打印内容如下，通过时间可以证明三个线程是同时执行的。
线程1 :1636557637826
线程0 :1636557637826
线程2 :1636557637826
（2）如何在并发情况下保证三个线程依次执行?
