Java并发——同步工具类

超、凢脫俗 2022-05-18 08:56 321阅读 0赞

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

同步工具类包括信号量（Semaphore）、栅栏（barrier）、闭锁（CountDownLatch）

## **CountDownLatch  同步倒数计数器** ##

CountDownLatch是一个同步倒数计数器。CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

CountDownLatch对象内部存有一个整数作为计数器。调用countDown()方法就将计数器减1，当计数到达0时，则所有等待者会停止等待。计数器的操作是原子性的。

**CountDownLatch类的常用API**

构造方法

***CountDownLatch**(int count) * 构造方法参数指定了计数的次数。

方法

*void **await**()*  使当前线程在锁存器倒计数至0之前一直等待，除非线程被中断。

*boolean **await**(long timeout, TimeUnit unit)*  使当前线程在锁存器倒计数至0之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。

*void **countDown**()*  计数减1。当计数为0，则释放所有等待的线程。

*long **getCount**()*  返回当前计数。

*String **toString**()*  返回标识此锁存器及其状态的字符串。

用给定的计数初始化 CountDownLatch实例。每调用一次countDown()方法，计数器减1。计数器大于0 时，await()方法会阻塞其他线程继续执行。 利用该特性，可以让主线程等待子线程的结束。

需要注意的是，一旦CountDownLatch的计数到0，则无法再将该计数无法被重置。

一种典型的场景就是火箭发射。在火箭发射前，为了保证万无一失，往往还要进行各项设备、仪器的检查。只有等所有检查完毕后，引擎才能点火。这种场景就非常适合使用CountDownLatch。它可以使得点火线程，等待所有检查线程全部完工后，再执行。

例：有三个工人在为老板干活。老板有一个习惯，当三个工人把一天的活都干完了的时候，他就来检查所有工人所干的活。如下代码设计两个类，Worker代表工人，Boss代表老板。

import java.util.Random;
    import java.util.concurrent.CountDownLatch;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    
    public class CountDownLatchDemo {
        public static void main(String[] args) {
            ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);    // 同步倒数计数器。
    
            Worker w1 = new Worker(latch, "张三");
            Worker w2 = new Worker(latch, "李四");
            Worker w3 = new Worker(latch, "王五");
            Boss boss = new Boss(latch);
    
            executor.execute(w3);    // 工人工作。
            executor.execute(w2);
            executor.execute(w1);
            executor.execute(boss);    // 老板工作。
    
            executor.shutdown();
        }
    
    }
    
    
    class Worker implements Runnable {
        private CountDownLatch downLatch;
        private String name;
    
        public Worker(CountDownLatch downLatch, String name) {
            this.downLatch = downLatch;
            this.name = name;
        }
    
        public void run() {
            this.doWork();    // 工人工作。
    
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));  // 工作时长。
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
            System.out.println(this.name + "活干完了！");
            this.downLatch.countDown();  // 计数减1。
        }
    
        private void doWork() {
            System.out.println(this.name + "正在干活!");
        }
    
    }
    
    
    class Boss implements Runnable {
        private CountDownLatch downLatch;
    
        public Boss(CountDownLatch downLatch) {
            this.downLatch = downLatch;
        }
    
        public void run() {
            System.out.println("老板正在等所有的工人干完活......");
            try {
                this.downLatch.await();    // 当计数不为0时，线程永远阻塞。为0则继续执行。
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
            System.out.println("工人活都干完了，老板开始检查了！");
        }
    
    }

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### CountDownLatch类与join方法 ###

CountDownLatch实例本质与Thread的join方法相同。但join方法仅可以支持当前线程等待一个线程的结束，若需要等待多个线程，则需要逐个线程的调用join方法，非常麻烦。CountDwonLatch可以很方便的实现一个线程等待多个线程。

## **CyclicBarrier 循环屏障** ##

CyclicBarrier用于让一组线程运行并互相等待，直到共同到达一个公共屏障点 (common barrier point，又被称为同步点)，被屏障拦截的所有线程就会继续执行。

CyclicBarrier与CountDownLatch的功能非常类似。但一个CyclicBarrier实例在释放等待线程后可以继续使用。让下一批线程在屏障点等待。但CountDownLatch实例只能被使用一次。所以CyclicBarrier被称为*循环 *的 barrier。

典型的比如公司的人员利用集体郊游，先各自从家出发到公司集合，再同时出发游玩，在指定地点集合。CyclicBarrier表示大家彼此在某处等待，集合好后才开始出发，分散活动后又在指定地点集合碰面。

**CyclicBarrier类API**

构造器

***CyclicBarrier**(int parties)* 创建CyclicBarrier对象，*parties* 表示屏障拦截的线程数量。

***CyclicBarrier**(int parties, Runnable barrierAction)* 创建 CyclicBarrier对象，该构造方法提供了一个Runnable 参数，在一组线程中的最后一个线程到达之后，执行Runnable中的程序，再之后释放正在等待的线程。Runnable在屏障点上只运行一次。

方法

*int **await**()* 通知CyclicBarrier实例，当前线程已经到达屏障点，然后当前线程将被阻塞。

*int **await**(long timeout, TimeUnit unit)*  指定当前线程被阻塞的时间。

*int **getNumberWaiting**()* 返回当前在屏障处等待的线程数。

*int **getParties**()* 返回CyclicBarrier的需要拦截的线程数。

*boolean **isBroken**()* 查询此屏障是否处于损坏状态。

*void **reset**()* 将屏障重置为其初始状态。

例1：各省数据独立，分库存偖。为了提高计算性能，统计时采用每个省开一个线程先计算单省结果，最后汇总。

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import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
    import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
    
    public class Total {
    
        public static void main(String[] args) {
            TotalService totalService = new TotalServiceImpl();
            CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, new TotalTask(totalService));
    
            // 实际系统是查出所有省编码code的列表，然后循环，每个code生成一个线程。
            new BillTask(new BillServiceImpl(), barrier, "北京").start();
            new BillTask(new BillServiceImpl(), barrier, "上海").start();
            new BillTask(new BillServiceImpl(), barrier, "广西").start();
            new BillTask(new BillServiceImpl(), barrier, "四川").start();
            new BillTask(new BillServiceImpl(), barrier, "黑龙江").start();
        }
    
    }
    
    
    /**
    * 主任务：汇总任务
    */
    class TotalTask implements Runnable {
        private TotalService totalService;
    
        TotalTask(TotalService totalService) {
            this.totalService = totalService;
        }
    
        public void run() {
            // 读取内存中各省的数据汇总，过程略。
            totalService.count();
            System.out.println("开始全国汇总");
        }
    
    }
    
    
    /**
    * 子任务：计费任务
    */
    class BillTask extends Thread {
        private BillService billService;     // 计费服务
        private CyclicBarrier barrier;
        private String code;    // 代码，按省代码分类，各省数据库独立。
    
        BillTask(BillService billService, CyclicBarrier barrier, String code) {
            this.billService = billService;
            this.barrier = barrier;
            this.code = code;
        }
    
        public void run() {
            System.out.println("开始计算--" + code + "省--数据！");
            billService.bill(code);
    
            // 把bill方法结果存入内存，如ConcurrentHashMap,vector等,代码略
            System.out.println(code + "省已经计算完成,并通知汇总Service！");
            try {
                // 通知barrier已经完成
                barrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    
    interface BillService {
        public void bill(String code);
    }
    
    interface TotalService {
        public void count();
    }
    
    
    class BillServiceImpl implements BillService{
    
        @Override
        public void bill(String code) {}
    }
    
    class TotalServiceImpl implements TotalService{
    
        @Override
        public void count(){}
    }

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例2：赛跑时，等待所有人都准备好时，才起跑。

![复制代码][copycode.gif]

public class CyclicBarrierTest {
    
        public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
            CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);
            ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
    
            executor.submit(new Thread(new Runner(barrier, "1号选手")));
            executor.submit(new Thread(new Runner(barrier, "2号选手")));
            executor.submit(new Thread(new Runner(barrier, "3号选手")));
    
            executor.shutdown();
        }
    }
    
    
    class Runner implements Runnable {
        // 一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)
        private CyclicBarrier barrier;
        private String name;
    
        public Runner(CyclicBarrier barrier, String name) {
            super();
            this.barrier = barrier;
            this.name = name;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000 * (new Random()).nextInt(8));
                System.out.println(name + " 准备好了...");
                // barrier的await方法，在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前，将一直等待。
                barrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(name + " 起跑！");
        }
    
    }

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例3：JDK6中的示例用法：下面是一个在并行分解设计中使用 barrier 的例子。给出示意代码结构，不可运行。

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class Solver {
        final int N;
        final float[][] data;
        final CyclicBarrier barrier;
    
        class Worker implements Runnable {
            int myRow;
    
            public Worker(int row) {
                myRow = row;
            }
    
            public void run() {
                while (!done()) {
                    processRow(myRow);
                    try {
                        barrier.await();
                    } catch (InterruptedException ex) {
                        return;
                    } catch (BrokenBarrierException ex) {
                        return;
                    }
                }
            }
    
        }
    
    
        public Solver(float[][] matrix) {
            data = matrix;
            N = matrix.length;
    
            barrier = new CyclicBarrier(N, new Runnable() {
                public void run() {
                    mergeRows(...);
                }
            });
    
    
            for (int i = 0; i < N; ++i){
                new Thread(new Worker(i)).start();
            }
         
            waitUntilDone();
        }
    
    }

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在这个例子中，每个 worker 线程处理矩阵的一行，在处理完所有的行之前，该线程将一直在屏障处等待。处理完所有的行之后，将执行所提供的 Runnable 屏障操作，并合并这些行。如果合并者确定已经找到了一个解决方案，那么 done() 将返回 true，所有的 worker 线程都将终止。

如果屏障操作在执行时不依赖于正挂起的线程，则线程组中的任何线程在获得释放时都能执行该操作。为方便此操作，每次调用 await() 都将返回能到达屏障处的线程的索引。然后，可以选择哪个线程应该执行屏障操作，例如：

if (barrier.await() == 0) {
    // log the completion of this iteration
    }

对于失败的同步尝试，CyclicBarrier 使用了一种要么全部要么全不 (all-or-none) 的破坏模式：如果因为中断、失败或者超时等原因，导致线程过早地离开了屏障点，那么在该屏障点等待的其他所有线程也将通过 BrokenBarrierException（如果它们几乎同时被中断，则用 InterruptedException）以反常的方式离开。

## Semaphore信号量 ##

Semaphore用于控制并发线程数。Semaphore实例可以控制当前访问自身的线程个数。使用Semaphore可以控制同时访问资源的线程个数。例如，实现一个文件允许的并发访问数。

Semaphore维护了一个许可集。“许可”即线程进入临界区的许可。一个临界区可以有多个许可。获取许可的线程即可进入。通过 acquire() 获取一个许可，如果线程没有获取到就等待，而 release() 表示释放一个许可。可以把Semaphore看成是一种共享锁。Semaphore允许同一时间多个线程同时访问临界区。

生活的理解：Semaphore实现的功能就类似厕所有5个坑，假如有十个人要上厕所，那么同时能有多少个人去上厕所呢？同时只能有5个人能够占用，当5个人中的任何一个人让开后，其中在等待的另外5个人中又有一个可以占用了。另外等待的5个人中可以是随机获得优先机会，也可以是按照先来后到的顺序获得机会，这取决于构造Semaphore对象时传入的参数选项。

Semaphore对象也可以实现互斥锁的功能，并且可以是由一个线程获得了"锁"，再由另一个线程释放"锁"，这可应用于死锁恢复的一些场合。

在一些企业系统中，开发人员经常需要限制未处理的特定资源请求（线程/操作）数量，事实上，限制有时候能够提高系统的吞吐量，因为它们减少了对特定资源的争用。尽管完全可以手动编写限制代码，但使用 Semaphore类可以更轻松地完成此任务，它将帮您执行限制。

**常用API**

public void acquire()                           // 获取许可。

public void acquireUninterruptibly()

public boolean tryAcquire()

public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

public void release()                           // 释放许可。该方法一般调用于finally块中。

例：10 个线程都在运行，可以对运行SemaphoreApp的Java进程执行jstack来验证，只有3个线程是活跃的。在一个信号计数器释放之前，其他7个线程都处于空闲状态。

![复制代码][copycode.gif]

import java.util.Random; 
    import java.util.concurrent.Semaphore; 
    
    public class SemaphoreApp { 
    
        public static void main(String[] args) {
    
            // 匿名Runnable实例。定义线程运行程序。
            Runnable limitedCall = new Runnable() { 
                final Random rand = new Random(); 
                final Semaphore available = new Semaphore(3);     // 最多可以发出3个"许可"
                int count = 0; 
    
                public void run() { 
                    int time = rand.nextInt(15); 
                    int num = count++; 
    
                    try {
                        available.acquire();    // 当前线程获取"许可"。若没有获取许可，则等待于此。
                        System.out.println("Executing " + "long-running action for " + time + " seconds... #" + num); 
                        Thread.sleep(time * 1000); 
                        System.out.println("Done with #" + num + "!"); 
                    } catch (InterruptedException intEx) { 
                        intEx.printStackTrace(); 
                    } finally {
                        available.release();     // 当前线程释放"许可"
                    }
                } 
            }; 
    
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                new Thread(limitedCall).start(); 
            }
    }

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例：停车示例。停车场只有10个车位，现在有30辆车去停车。当车位满时出来一辆车才能有一辆车进入停车。

![复制代码][copycode.gif]

import java.util.concurrent.Semaphore;
    
    public class Car implements Runnable {
        private final Semaphore parkingSlot;
        private int carNo;
    
        public Car(Semaphore parkingSlot, int carNo) {
            this.parkingSlot = parkingSlot;
            this.carNo = carNo;
        }
    
        public void run() {
            try {
                parkingSlot.acquire();    // 车尝试获取"车位"
                parking();
                sleep(300);
                leaving();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                parkingSlot.release();    // 释放"车位"
            }
        }
    
        private void parking() {
            System.out.println(String.format("%d号车泊车", carNo));
        }
    
        private void leaving() {
            System.out.println(String.format("%d号车离开车位", carNo));
        }
    
        private static void sleep(long millis) {
            try {
                Thread.sleep(millis);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
    }
    
    
    // --------------------------------------------------------------------------
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.Semaphore;
    
    public class ParkingCars {
        private static final int NUMBER_OF_CARS = 30;
        private static final int NUMBER_OF_PARKING_SLOT = 10;
    
        public static void main(String[] args) {
            Semaphore parkingSlot = new Semaphore(NUMBER_OF_PARKING_SLOT, true);    // "车位",采用FIFO,设置true。
    
    
            ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();    // 创建线程池。模拟30辆车"停车"。
            for (int carNo = 1; carNo <= NUMBER_OF_CARS; carNo++) {
                service.execute(new Car(parkingSlot, carNo));
            }
    
            sleep(3000);
            service.shutdown();    // 关闭线程池。
    
            // 输出剩余可以用的资源数。
            System.out.println(parkingSlot.availablePermits() + " 个停车位可以用!");
        }
    
        private static void sleep(long millis) {
            try {
                Thread.sleep(millis);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
    }

![复制代码][copycode.gif]

## **Exchanger 交换器** ##

Exchanger用于实现线程间的数据交换。Exchanger提供一个同步点，在同步点上，两个线程使用exchange方法交换彼此数据。如果第一个线程先执行exchange方法，则它会等待第二个线程执行exchange方法。当两个线程同时到达同步点时，这两个线程即可以交换数据。交换完毕后，各自进行以后的程序流程。当两个线程通过Exchanger交换数据的时候，这个交换对于两个线程来说是线程安全的。

exchange()方法将本线程的数据作为参数，传递给伙伴线程，并且该方法返回伙伴线程提供的数据。

当在运行不对称的活动时Exchanger很有用，比如当一个线程填充了buffer，另一个线程从buffer中消费数据时，这两个线程可以用Exchanger来交换数据。

**Exchanger<V>类的API**

构造器

**Exchanger**() 创建一个新的 Exchanger。

方法

V **exchange**(V x) 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 x, 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，或者超出了指定的等待时间），然后将给定的对象传送给该线程，同时接收该线程的对象。

例：以下这个程序demo要做的事情就是生产者在交换前生产5个"生产者"，然后再与消费者交换5个数据，然后再生产5个"交换后生产者"，而消费者要在交换前消费5个"消费者"，然后再与生产者交换5个数据，然后再消费5个"交换后消费者"。import java.util.ArrayList;

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import java.util.Iterator;
    import java.util.List;
    import java.util.concurrent.Exchanger;
    
    
    /**
    * 两个线程间的数据交换
    */
    public class ExchangerDemo {
        private static final Exchanger<List<String>> ex = new Exchanger<List<String>>();
        private static void sleep(long millis){
            try {
                Thread.sleep(millis);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        /**
        * 内部类，数据生成者
        */
        class DataProducer implements Runnable {
            private List<String> list = new ArrayList<String>();
    
            public void run() {
                System.out.println("生产者开始生产数据");
                for (int i = 1; i <= 5; i++) {
                    System.out.println("生产了第" + i + "个数据，耗时1秒");
                    list.add("生产者" + i);
                    sleep(1000);
                }
                System.out.println("生产数据结束");
                System.out.println("开始与消费者交换数据");
    
                try {
                    //将数据准备用于交换，并返回消费者的数据
                    list = (List<String>) ex.exchange(list);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
    
                System.out.println("结束与消费者交换数据");
                System.out.println("生产者与消费者交换数据后，再生产数据");
                for (int i = 6; i < 10; i++) {
                    System.out.println("交换后生产了第" + i + "个数据，耗时1秒");
                    list.add("交换后生产者" + i);
                    sleep(1000);
                }
    
                System.out.println("遍历生产者交换后的数据");
                for (Iterator<String> iterator = list.iterator(); iterator.hasNext();) {
                    System.out.println(iterator.next());
                }
            }
    
        }
    
    
        /**
        * 内部类，数据消费者
        */
        class DataConsumer implements Runnable {
            private List<String> list = new ArrayList<String>();
    
            public void run() {
                System.out.println("消费者开始消费数据");
                for (int i = 1; i <= 5; i++) {
                    System.out.println("消费了第" + i + "个数据");
                    // 消费者产生数据，后面交换的时候给生产者
                    list.add("消费者" + i);
                 }
    
                System.out.println("消费数据结束");
                System.out.println("开始与生产者交换数据");
                try {
                    // 进行数据交换，返回生产者的数据
                    list = (List<String>) ex.exchange(list);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
    
                System.out.println("消费者与生产者交换数据后，再消费数据");
                for (int i = 6; i < 10; i++) {
                    System.out.println("交换后消费了第" + i + "个数据");
                    list.add("交换后消费者" + i);
                    sleep(1000);
                }
                sleep(1000);
                System.out.println("开始遍历消费者交换后的数据");
    
                for (Iterator<String> iterator = list.iterator(); iterator.hasNext();) {
                    System.out.println(iterator.next());
                }
            }
        }
    
        // 主方法
        public static void main(String args[]) {
            ExchangerDemo et = new ExchangerDemo();
            new Thread(et.new DataProducer()).start();
            new Thread(et.new DataConsumer()).start();
        }
    }

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