• Java 并发同步工具(转)


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    在 java 1.5 中,提供了一些非常有用的辅助类来帮助我们进行并发编程,比如 CountDownLatch,CyclicBarrier和 Semaphore。

    一、CountDownLatch 用法

    CountDownLatch 类位于 java.util.concurrent 包下,CountDownLatch 英文意为倒计时器,Latch 为门闩的意思。如果翻译成倒计数门闩,表示:把门锁起来,不让里面的线程跑出来。因此这个类用来控制线程等待,可以让某个线程等待直到倒计时结束,再开始执行。

    比如:火箭发射场景中,在火箭发射前,为保证万无一失,往往要进行各项设备,仪器检测,只有等所有检查完毕后,引擎才能点火。这种场景就适合 CountDownLatch,它可以使得点火线程等待所有线程检查完毕之后再执行。


     
    CountDownLatch 火箭发射场景

    计数器的值为 3,线程 A 调用了 await() 之后,线程 A 就进入了等待状态,对其他线程每次执行 countDown() 方法时,计数器就会执行减 1 操作,当计数减为 0 时,线程 A 继续执行。


     
    CountDownLatch 执行过程

    CountDownLatch 类只提供了一个构造器:

    public CountDownLatch(int count) {  };  //参数count为计数值
    

    然后下面这 3 个方法是 CountDownLatch 类中最重要的方法:

    public void await() throws InterruptedException { };   //调用await()方法的线程会被挂起,它会等待直到count值为0才继续执行
    public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //和await()类似,只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
    public void countDown() { };  //将count值减1
    

    CountDownLatch 的用法

    import java.util.concurrent.CountDownLatch;
    
    public class CountDownLatchTest {
    
        public static void main(String[] args) {
            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
            new Thread() {
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在执行");
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 执行完毕");
                        latch.countDown();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                };
            }.start();
            
            new Thread() {
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在执行");
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 执行完毕");
                        latch.countDown();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                };
            }.start();
            
            try {
                System.out.println("等待2个子线程执行完毕...");
                latch.await();
                System.out.println("2个子线程已经执行完毕");
                System.out.println("继续执行主线程");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    //---------------------------运行结果----------------------
    Thread-0 正在执行
    Thread-1 正在执行
    等待2个子线程执行完毕...
    Thread-0 执行完毕
    Thread-1 执行完毕
    2个子线程已经执行完毕
    继续执行主线程
    

    二、CyclicBarrier 的用法

    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。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。

    比如:司令下达命令,要求 10 个士兵一起去完成一项任务,这时,就要求 10 个士兵先集合报道,然后一起去执行任务,当 10 个士兵把任务都执行完毕,司令才能对外宣布任务完成。

    集合完毕后,代表一次计数完成,当再次调用 await() 时,会进行下一次计数,因此,CyclicBarrier 可被重用。


     
    CyclicBarrier 士兵执行任务场景

    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。

    然后 CyclicBarrier 中最重要的方法就是 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 { };
    

    第一个版本比较常用,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;

    第二个版本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。

    import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
    import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
    
    public class CyclicBarrierTest {
    
        public static void main(String[] args) {
            CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4);
            for(int i=0;i<4;i++) {
                new Writer(cyclicBarrier).start();
            }
        }
    
    }
    class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写入数据完毕,等待其他线程写入...");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 线程写入完毕,继续执行其他任务");
        }
    }
    //---------------------------运行结果----------------------
    //每个写入线程执行完写数据操作之后,就在等待其他线程写入操作完毕。
    //当所有线程线程写入操作完毕之后,所有线程就继续进行后续的操作了。
    Thread-1 正在写入数据...
    Thread-2 正在写入数据...
    Thread-0 正在写入数据...
    Thread-3 正在写入数据...
    Thread-1 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-3 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-0 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-2 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-2 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-3 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-0 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-1 线程写入完毕,继续执行其他任务
    

    如果说想在所有线程写入操作完之后,进行额外的其他操作可以为 CyclicBarrier 提供Runnable 参数:

    import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
    import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
    
    public class CyclicBarrierTest {
    
        public static void main(String[] args) {
            CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4,new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("当前线程 "+Thread.currentThread().getName());
                }
            });
            for(int i=0;i<4;i++) {
                new Writer(cyclicBarrier).start();
            }
        }
    
    }
    class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写入数据完毕,等待其他线程写入...");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 线程写入完毕,继续执行其他任务");
        }
    }
    //---------------------------运行结果----------------------
    //当四个线程都到达 barrier 状态后,会从四个线程中选择一个线程去执行 Runnable。
    Thread-2 正在写入数据...
    Thread-0 正在写入数据...
    Thread-3 正在写入数据...
    Thread-1 正在写入数据...
    Thread-0 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-2 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-3 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-1 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    当前线程 Thread-1
    Thread-1 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-2 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-0 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-3 线程写入完毕,继续执行其他任务
    

    下面看一下为 await 指定时间的效果:

    import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
    import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.TimeoutException;
    public class CyclicBarrierTest {
        public static void main(String[] args) {
            CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4,new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("当前线程 "+Thread.currentThread().getName());
                }
            });
            for(int i=0;i<4;i++) {
                if (i<3) {
                    new Writer(cyclicBarrier).start();
                }else {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    new Writer(cyclicBarrier).start();
                }
            }
        }
    }
    class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写入数据完毕,等待其他线程写入...");
                cyclicBarrier.await(2000,TimeUnit.MICROSECONDS);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (TimeoutException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 线程写入完毕,继续执行其他任务");
        }
    }
    //---------------------------运行结果----------------------
    //上面的代码在 main 方法的 for 循环中,故意让最后一个线程启动延迟,因为在前面三个线程都达到 barrier 之后,等待了指定的时间发现第四个线程还没有达到 barrier,就抛出异常并继续执行后面的任务。
    Thread-0 正在写入数据...
    Thread-1 正在写入数据...
    Thread-2 正在写入数据...
    Thread-1 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-2 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-0 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-3 正在写入数据...
    java.util.concurrent.TimeoutException
    Thread-1 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-2 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-0 线程写入完毕,继续执行其他任务
        at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:257)
        at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
        at offer.Writer.run(CyclicBarrierTest.java:45)
    java.util.concurrent.BrokenBarrierException
        at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
        at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
        at offer.Writer.run(CyclicBarrierTest.java:45)
    java.util.concurrent.BrokenBarrierException
        at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
        at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
        at offer.Writer.run(CyclicBarrierTest.java:45)
    Thread-3 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    java.util.concurrent.BrokenBarrierException
        at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:207)
        at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
        at offer.Writer.run(CyclicBarrierTest.java:45)
    Thread-3 线程写入完毕,继续执行其他任务
    

    检测 CyclicBarrier 是否重用

    import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
    import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
    
    public class CyclicBarrierTest {
    
        public static void main(String[] args) {
            CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4);
            for(int i=0;i<4;i++) {
                new Writer(cyclicBarrier).start();
            }
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("CyclicBarrier重用");
            for(int i=0;i<4;i++) {
                new Writer(cyclicBarrier).start();
            }
        }
    
    }
    class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写入数据完毕,等待其他线程写入...");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 线程写入完毕,继续执行其他任务");
        }
    }
    //---------------------------运行结果----------------------
    //在初次的 4 个线程越过 barrier 状态后,又可以用来进行新一轮的使用。而CountDownLatch 无法进行重复使用。
    Thread-0 正在写入数据...
    Thread-1 正在写入数据...
    Thread-2 正在写入数据...
    Thread-3 正在写入数据...
    Thread-0 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-3 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    CyclicBarrier重用
    Thread-2 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-1 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-4 正在写入数据...
    Thread-5 正在写入数据...
    Thread-1 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-3 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-0 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-6 正在写入数据...
    Thread-7 正在写入数据...
    Thread-2 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-4 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-6 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-7 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-5 写入数据完毕,等待其他线程写入...
    Thread-5 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-6 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-4 线程写入完毕,继续执行其他任务
    Thread-7 线程写入完毕,继续执行其他任务
    

    三、Semaphore 用法

    Semaphore 翻译成字面意思为 信号量,广义上说,信号量是对锁的扩展,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一个资源,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。

    这4个方法都会被阻塞,如果想立即得到执行结果,可以使用下面几个方法:

    public boolean tryAcquire() { };
    //尝试获取一个许可,若获取成功,则立即返回true,若获取失败,则立即返回 false
    public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  
    //尝试获取一个许可,若在指定的时间内获取成功,则立即返回 true,否则则立即返回 false
    public boolean tryAcquire(int permits) { }; 
    //尝试获取 permits 个许可,若获取成功,则立即返回 true,若获取失败,则立即返回 false
    public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; 
    //尝试获取 permits 个许可,若在指定的时间内获取成功,则立即返回 true,否则则立即返回 false
    

    另外还可以通过 availablePermits() 方法得到可用的许可数目。

    下面通过一个例子来看一下 Semaphore 的具体使用:

    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。那么我们就可以通过 Semaphore 来实现:

    import java.util.concurrent.Semaphore;
    public class SemaphoreTest {
        public static void main(String[] args) {
            int N = 8;  //8 个工人
            Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
            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();
                }
            }
        }
    }
    //---------------------------运行结果----------------------
    //刚开始 5 个工人占用了 5 台机器,随后其他工人进入等待,当有工人释放机器之后,等待的工人才获得机器使用权
    工人 0 占用一个机器在生产...
    工人 2 占用一个机器在生产...
    工人 1 占用一个机器在生产...
    工人 4 占用一个机器在生产...
    工人 3 占用一个机器在生产...
    工人 4 释放出机器
    工人 2 释放出机器
    工人 5 占用一个机器在生产...
    工人 0 释放出机器
    工人 1 释放出机器
    工人 7 占用一个机器在生产...
    工人 6 占用一个机器在生产...
    工人 3 释放出机器
    工人 7 释放出机器
    工人 5 释放出机器
    工人 6 释放出机器
    

    四、总结

    下面对上面说的三个辅助类进行一个总结:

    • 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。
    CountDownLatchCyclicBarrier
    减计数方式 加计数方式
    计算为 0 时,无法重置 计数达到指定值时释放所有等待线程
    计数为 0 时无法重置 计数达到指定值,计数置为 0 重新开始
    调用 countDown() 方法计数减一,调用 await()方法只进行阻塞,对计数没任何影响 调用 await() 方法计数加 1,若加 1 后的值不等于构造方法的值,则线程阻塞
    不可重复利用 可重复利用

    参考:

    https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920397.html

    《实战 Java 高并发程序设计》

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/xuningchuanblogs/p/12428004.html
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