玩转JUC工具，Java并发编程不再危机四伏

水深无声 2023-09-25 20:18 39阅读 0赞

## 前言 ##

当今互联网应用普遍需要支持高并发访问，而Java作为一种广泛使用的编程语言，其并发编程能力对于实现高性能的应用非常重要。而Java的JUC（java.util.concurrent）并发工具就提供了许多实用的工具类和接口，可以让Java应用轻松实现高效的并发编程。

## ReetrantLock ##

ReentrantLock是Java提供的一个可重入锁，也是Java并发编程中最常用的一种锁。与synchronized关键字相比，ReentrantLock具有更大的灵活性和功能，可以更好地支持并发编程的实现。

### 特点 ###

1.  可重入性：与synchronized一样，ReentrantLock也支持可重入锁，即同一个线程可以重复获得该锁，而不会出现死锁。
2.  公平锁：ReentrantLock可以创建公平锁，即按照线程请求的顺序分配锁，确保等待时间最长的线程最先获得锁，避免了线程饥饿问题。
3.  中断响应：当线程等待获取锁的过程中，可以通过调用interrupt()方法中断等待，避免线程无限等待。
4.  条件变量：ReentrantLock可以创建多个Condition对象，用于控制线程等待和唤醒，从而实现更灵活的线程协作。
5.  性能优越：在高度竞争的多线程环境中，ReentrantLock相比synchronized有更好的性能表现，特别是在多处理器系统中。

### 简单使用 ###

模拟秒杀商品场景

public class SecKillDemo {
        private static int stock = 1;
    
        // 秒杀锁
        private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
        public static void main(String[] args) {
            // 模拟多个用户抢购
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        // 加锁
                        lock.lock();
                        try {
                            // 判断库存是否足够
                            if (stock > 0) {
                                // 模拟生成订单
                                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢购成功，生成订单");
                                // 减少库存
                                stock--;
                            } else {
                                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢购失败，库存不足");
                            }
                        } finally {
                            // 解锁
                            lock.unlock();
                        }
                    }
                }).start();
            }
        }
    }
    复制代码

加锁结果:最先进来的线程抢购成功其余线程抢购失败

![format_png][]

不加锁结果:4个线程抢购成功出现超卖现象

### 可重入示例 ###

当一个线程获得了ReentrantLock锁之后，如果该线程继续请求获得这个锁，那么该线程可以继续获得这个锁，这种情况就是ReentrantLock锁的可重入性。下面是一个表现出ReentrantLock锁的可重入性的例子：

public class ReentrantLockExample {
    
        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
        public void outer() {
            lock.lock(); // 第一次获取锁
            try {
                inner();
            } finally {
                lock.unlock(); // 释放锁
            }
        }
    
        public void inner() {
            lock.lock(); // 第二次获取锁
            try {
                System.out.println("第二次获取锁");
            } finally {
                lock.unlock(); // 释放锁
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample();
            example.outer();
        }
    }
    复制代码

在这个例子中，我们定义了一个ReentrantLock锁，并创建了一个outer方法和一个inner方法。在outer方法中，我们首先通过调用lock方法获取锁，并在try块中调用inner方法，然后在finally块中释放锁。在inner方法中，我们再次获取锁，并输出一条信息。

可以看到，在outer方法中，我们第一次获取锁，然后调用inner方法，inner方法中又通过lock方法获取了锁，但这次获取锁是成功的，并且能够正常输出信息，说明ReentrantLock锁具有可重入性。

### Condition ###

当使用ReentrantLock时，可以使用Condition对象来进行线程的协调和等待。

public class ConditionDemo {
    
        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        private Condition condition = lock.newCondition();
        private int count = 0;
    
        public void increment() {
            lock.lock();
            try {
                while (count == 1) {  // 如果计数器已经达到1，就等待
                    condition.await();
                }
                count++;  // 计数器加1
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + count);
                condition.signalAll();  // 唤醒其他等待的线程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public void decrement() {
            lock.lock();
            try {
                while (count == 0) {  // 如果计数器已经为0，就等待
                    condition.await();
                }
                count--;  // 计数器减1
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + count);
                condition.signalAll();  // 唤醒其他等待的线程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            ConditionDemo demo = new ConditionDemo();
    
            // 创建两个线程分别进行增加和减少操作
            new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    demo.increment();
                }
            }, "Thread-A").start();
    
            new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    demo.decrement();
                }
            }, "Thread-B").start();
        }
    }
    复制代码

在这个示例中，有一个计数器count，两个线程分别进行增加和减少操作。在increment()和decrement()方法中，通过调用ReentrantLock的lock()方法获取锁，并在执行操作之前使用while循环判断条件是否满足，如果不满足就通过调用Condition的await()方法等待。

当条件满足时，线程执行相应的操作，并使用Condition的signalAll()方法唤醒其他等待的线程。在这个示例中，当计数器为1时，增加线程就会等待，直到计数器减为0；当计数器为0时，减少线程就会等待，直到计数器增加为1。

### 应用场景 ###

1.  解决多线程竞争资源的问题，例如多个线程同时对同一个数据库进行写操作，可以使用ReentrantLock保证每次只有一个线程能够写入。
2.  实现多线程任务的顺序执行，例如在一个线程执行完某个任务后，再让另一个线程执行任务。
3.  实现多线程等待/通知机制，例如在某个线程执行完某个任务后，通知其他线程继续执行任务

## Semaphore ##

Semaphore（信号量）是JUC并发工具包中的一种同步工具，用于管理一个或多个共享资源的访问。Semaphore 维护一个计数器，该计数器可以对共享资源的访问进行控制，类似于停车场的车位管理，当所有的车位已满时，新来的车辆必须等待其他车辆离开才能进入停车场。

### Semaphore实现限流 ###

public class RateLimiter {
    
        private Semaphore semaphore;
    
        public RateLimiter(int permits) {
            semaphore = new Semaphore(permits);
        }
    
        public boolean tryAcquire() {
            return semaphore.tryAcquire();
        }
    
        public void release() {
            semaphore.release();
        }
    }
    复制代码

在上述代码中，我们定义了一个名为RateLimiter的限流器类。它有一个构造函数，用于初始化Semaphore计数器，其中参数permits表示允许同时访问的线程数。

在tryAcquire()方法中，我们使用了Semaphore的tryAcquire()方法来尝试获取一个许可，如果获取成功则返回true，否则返回false。

在release()方法中，我们调用Semaphore的release()方法来释放一个许可。

public static void main(String[] args) {
        int permits = 5;
        RateLimiter rateLimiter = new RateLimiter(permits);
    
        // 模拟10个线程并发请求
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    if (rateLimiter.tryAcquire()) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得访问权限");
                        Thread.sleep(1000);
                    } else {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被限流");
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    rateLimiter.release();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放访问权限");
                }
            }, "Thread-" + (i + 1)).start();
        }
    }
    复制代码

在上述代码中，我们创建了一个限流器RateLimiter，允许同时有5个线程访问。然后，我们模拟10个请求。当有可用许可时，请求被允许访问；当所有许可都被占用时，请求被拒绝访问。

### 应用场景 ###

1.  限流：Semaphore可以用于限制对共享资源的并发访问数量，以控制系统的流量。
2.  资源池：Semaphore可以用于实现资源池，以维护一组有限的共享资源。

## CountDownLatch ##

CountDownLatch可以帮助控制线程之间的执行顺序。在某些场景下，可能需要等待多个线程执行完毕后，再继续执行某些操作，这时候就可以使用CountDownLatch来实现线程的等待。

CountDownLatch内部维护了一个计数器，该计数器的初始值可以通过构造函数进行指定。在主线程中调用CountDownLatch的await()方法会使当前线程等待，直到计数器的值为0时才会继续执行。而在其他线程中调用CountDownLatch的countDown()方法则会将计数器的值减1。当计数器的值减到0时，之前在主线程中调用await()方法的线程就会继续执行。

### CountDownLatch实现多任务合并 ###

比如说，有一个系统需要进行批量数据导入，数据是从多个文件中读取的，每个文件需要一个线程进行处理，等所有文件处理完毕后再进行下一步操作，这时候就可以使用CountDownLatch来实现等待多个线程执行完毕后再继续执行。。

public class BatchImportDemo  {
    
    
        private CountDownLatch latch;
        private String[] filenames = {"file1.txt", "file2.txt", "file3.txt"};
    
        public BatchImportDemo() {
            this.latch = new CountDownLatch(filenames.length);
        }
    
        public void start() {
            for (String filename : filenames) {
                new Thread(new ImportTask(filename, latch)).start();
            }
            try {
                latch.await(); // 等待所有线程执行完毕
                System.out.println("所有文件处理完毕，开始进行下一步操作。");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        private static class ImportTask implements Runnable {
            private String filename;
            private CountDownLatch latch;
    
            public ImportTask(String filename, CountDownLatch latch) {
                this.filename = filename;
                this.latch = latch;
            }
    
            @Override
            public void run() {
                // 处理文件的逻辑
                System.out.println("正在处理文件 " + filename);
                try {
                    Thread.sleep(2000); // 模拟文件处理
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("文件 " + filename + " 处理完毕。");
                latch.countDown(); // 计数器减1
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            BatchImportDemo demo = new BatchImportDemo();
            demo.start();
        }
    }
    复制代码

在这个示例中，我们定义了一个BatchImportDemo类，它包含了一个CountDownLatch实例和一个字符串数组filenames，表示需要处理的文件名。在start()方法中，我们启动了多个线程来处理每个文件，并调用了latch.await()方法来等待所有线程执行完毕。而在每个线程中，我们执行了具体的文件处理逻辑，并在处理完毕后调用了latch.countDown()方法来将计数器减1。

运行上述代码，输出结果为

正在处理文件 file1.txt
    正在处理文件 file2.txt
    正在处理文件 file3.txt
    文件 file1.txt 处理完毕。
    文件 file2.txt 处理完毕。
    文件 file3.txt 处理完毕。
    所有文件处理完毕，开始进行下一步操作。
    复制代码

可以看到，当所有文件处理完毕后，程序输出了“所有文件处理完毕，开始进行下一步操作。”的信息。这说明我们成功地使用CountDownLatch来等待多个线程执行完毕后再进行后续的操作。

### 应用场景 ###

1.  主线程等待多个线程执行完毕后再继续执行。
2.  多个线程等待某个操作完成后再继续执行。
3.  实现并发任务的协调，例如多个线程同时执行不同的子任务，当所有子任务都执行完毕后，再执行后续的操作。

## CyclicBarrier ##

CyclicBarrier（回环栅栏或循环屏障），是 Java 并发库中的一个同步工具，通过它可以实现让一组线程等待至某个状态（屏障点） 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。

### CyclicBarrier多个线程协同工作 ###

public class CyclicBarrierDemo {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            int threadCount = 5;
            CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(threadCount, new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("所有线程执行完成，开始执行主线程...");
                }
            });
            for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
                new Thread(() -> {
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行任务...");
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行任务完成...");
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }).start();
            }
            System.out.println("主线程执行...");
        }
    }
    复制代码

上述示例中，定义了5个线程，这5个线程需要等待所有线程都执行完成后，才能继续执行主线程。在定义CyclicBarrier时，将屏障点的数量设置为5，当所有线程都到达屏障点时，会执行Runnable中的任务，输出 "所有线程执行完成，开始执行主线程..."。每个线程执行任务完成后，会调用CyclicBarrier的await()方法，等待其他线程执行完成。

执行以上代码，输出如下：

Thread-0 执行任务...
    Thread-1 执行任务...
    Thread-2 执行任务...
    Thread-3 执行任务...
    Thread-4 执行任务...
    主线程执行...
    Thread-1 执行任务完成...
    Thread-0 执行任务完成...
    Thread-3 执行任务完成...
    Thread-2 执行任务完成...
    Thread-4 执行任务完成...
    所有线程执行完成，开始执行主线程...
    复制代码

从输出结果可以看出，所有线程都先执行各自的任务，然后等待其他线程执行完成，当所有线程都执行完成后，执行Runnable中的任务，输出 "所有线程执行完成，开始执行主线程..."，最后主线程继续执行。

### 应用场景 ###

1.  多线程任务：CyclicBarrier 可以用于将复杂的任务分配给多个线程执行，并在所有线程完成工作后触发后续作。
2.  数据处理：CyclicBarrier 可以用于协调多个线程间的数据处理，在所有线程处理完数据后触发后续操作。

## Phaser ##

Phaser用于协调多个线程的执行。它提供了一些方便的方法来管理多个阶段的执行，可以让程序员灵活地控制线程的执行顺序和阶段性的执行。Phaser可以被视为CyclicBarrier和CountDownLatch的进化版，它能够自适应地调整并发线程数，可以动态地增加或减少参与线程的数量。所以Phaser特别适合使用在重复执行或者重用的情况。

### Phaser阶段任务使用 ###

public class PhaserDemo   {
    
        public static void main(String[] args) {
            int numPhases = 3; // 设置阶段数为3
            int numThreads = 5; // 设置线程数为5
            Phaser phaser = new Phaser(numThreads); // 创建Phaser对象并注册线程数
            for (int i = 0; i < numThreads; i++) {
                new Thread(new Worker(phaser)).start(); // 创建并启动线程
            }
            for (int i = 0; i < numPhases; i++) {
                System.out.println("Phase " + i + " 阶段开始");
                phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待所有线程到达同步点
                System.out.println("Phase " + i + " 阶段完成");
            }
        }
    
        static class Worker implements Runnable {
            private Phaser phaser;
    
            Worker(Phaser phaser) {
                this.phaser = phaser;
            }
    
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始执行");
                for (int i = 0; i < 3; i++) { // 模拟每个线程需要执行3个任务
                    phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 到达同步点并等待其他线程
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成第" + i + "个任务");
                }
            }
        }
    }
    复制代码

上述示例中，我们创建了一个Phaser对象，将线程数和阶段数分别设置为5和3，然后创建5个线程并启动它们。每个线程需要完成3个任务，在完成每个任务后调用`arriveAndAwaitAdvance()`方法到达同步点并等待其他线程，等到所有线程到达同步点后才会进入下一个阶段。最终，程序输出了每个线程完成任务的信息，以及每个阶段的开始和结束时间。

### 应用场景 ###

1.  多线程执行多阶段任务，需要协调各个线程的执行顺序。
2.  多线程进行游戏或模拟操作，需要协调各个线程的执行时机。
3.  多个线程需要协同工作来处理一个大型问题，例如搜索算法或者数据分析等。

## Exchanger ##

Exchanger是JUC（java.util.concurrent）并发工具之一，它提供了一个同步点，使得两个线程可以交换对象。Exchanger中交换对象的过程是一个阻塞方法，只有在两个线程都到达同步点时，才会交换对象，并且在交换完成后，两个线程会继续执行自己的代码。

Exchanger通常用于实现数据的同步和线程间的通信，例如在生产者和消费者模式中，可以使用Exchanger来实现生产者和消费者之间的数据交换。另外，Exchanger也可以用于遗传算法、数据加密等应用场景中。

### Exchanger使用 ###

public class ExchangerDemo {
    
        public static void main(String[] args) {
            Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();
            Thread thread1 = new Thread(() -> {
                try {
                    String data1 = "data1";
                    String data2 = exchanger.exchange(data1);
                    System.out.println("Thread1 received: " + data2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
    
            Thread thread2 = new Thread(() -> {
                try {
                    String data2 = "data2";
                    String data1 = exchanger.exchange(data2);
                    System.out.println("Thread2 received: " + data1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
    
            thread1.start();
            thread2.start();
    
        }
    }
    复制代码

在上述示例代码中，创建了一个Exchanger对象exchanger，然后启动了两个线程thread1和thread2。线程thread1将字符串"data1"交换给线程thread2，并且接收到线程thread2交换过来的字符串"data2"；线程thread2将字符串"data2"交换给线程thread1，并且接收到线程thread1交换过来的字符串"data1"。最后，两个线程都输出了接收到的数据。

### 应用场景 ###

1.  生产者消费者模式：在生产者和消费者模式中，可以使用Exchanger来实现生产者和消费者之间的数据交换，从而实现数据的同步和交流。
2.  遗传算法：在遗传算法中，可以使用Exchanger来实现父代和子代之间的基因交换，从而实现基因的进化和优化。
3.  数据加密：在数据加密中，可以使用Exchanger来实现加密和解密数据之间的交换，从而保证数据的安全性。
4.  线程间协作：在需要多个线程协作完成某项任务的场景中，可以使用Exchanger来实现线程间的数据交换和同步，从而协同完成任务。

需要注意的是，Exchanger只适用于两个线程之间的数据交换，如果需要多个线程之间的数据交换和同步，可以使用其他的并发工具，例如CyclicBarrier、CountDownLatch等。在选择并发工具时，应根据具体的场景和需求来进行选择。

[format_png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/db1c505e26cfb8cae469c82898996d25.webp?x-oss-process=image/format,png