【Java并发编程】并发工具类

Java并发/多线程编程系列blog(七）并发工具类含等待多线程完成的CountDownLatch/同步屏障CyclicBarrier/控制并发线程数的Semaphore/线程间交换数据的Exchanger

在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore工具类提供了一种并发流程控制的手段，Exchanger工具类则提供了在线程间交换数 据的一种手段。

等待多线程完成的CountDownLatch

CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

package Second;

public class JoinCountDownLatchTest {

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
			public void run() {
				System.out.println("thread1 finish");
			}
		});
		Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
			public void run() {
				System.out.println("thread2 finish");
			}
		});
		thread1.start();
		thread2.start();
		thread1.join();
		thread2.join();
	}
}

程序执行结果：

thread1 finish
thread2 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。其中，wait（0）表示永远等待下去。直到join线程中止后，线程的this.notifyAll()方法会被调用，调用notifyAll()方法是在JVM里实现的，在JDK1.5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，如代码所示：

package Second;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchTest {

	static CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(2);
	public static void main(String[] args)throws InterruptedException {
		new Thread(new Runnable() {
			public void run() {
				System.out.println(1);
				cdl.countDown();
				System.out.println(2);
				cdl.countDown();
			}
		}).start();
		cdl.await();
		System.out.println(3);
	}
}

程序运行结果：

1
2
3

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。如果有某个解析sheet的线程处理得比较慢，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。join也有类似的方法。
CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数器的值。一个线程调用countDown方法happen-before，另外一个线程调用await方法。

同步屏障CyclicBarrier

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简介

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。示例代码所示：

package Second;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierTest {

	static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
	public static void main(String[] args) {
		new Thread(new Runnable() {
			public void run() {
				try {
					c.await();
				}catch (Exception e) {
					
				}
				System.out.println(1);
			}
		}).start();
		try {
			c.await();
		}catch(Exception e) {
			
		}
		System.out.println(2);
	}
}

程序运行结果：

2
1

还有可能输出：

1
2

因为主线程和子线程的调度是由CPU决定的，两个线程都有可能先执行，所以会产生两种输出.如果把new CyclicBarrier(2)修改成new CyclicBarrier(3)，则主线程和子线程会永远等待，因为没有第三个线程执行await方法，即没有第三个线程到达屏障，所以之前到达屏障的两个 线程都不会继续执行。

CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier（int parties，Runnable barrier-Action），用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景，如代码所示：

package Second;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierTest {

	static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());
	public static void main(String[] args) {
		new Thread(new Runnable() {
			public void run() {
				try {
					c.await();
				}catch (Exception e) {
					
				}
				System.out.println(1);
			}
		}).start();
		try {
			c.await();
		}catch(Exception e) {
			
		}
		System.out.println(2);
	}
	static class A implements Runnable{
		public void run() {
			System.out.println(3);
		}
	}
}

程序执行结果：

3
1
2

因为CyclicBarrier设置了拦截线程的数量是2，所以必须等代码中的第一个线程和线程A都执行完之后，才会继续执行主线程，然后输出2

CyclicBarrier的应用场景

import java.util.Map.Entry;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException; 
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier; 
import java.util.concurrent.Executor; 
import java.util.concurrent.Executors; 
public class BankWaterService implements Runnable { 
//创建4个屏障，处理完之后执行当前类的run方法
    private CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(4, this); 
    //假设只有4个sheet，所以只启动4个线程 
    private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4); //保存每个sheet计算出的银流结果
    private ConcurrentHashMap<String, Integer>sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap<String, Integer>();
    private void count() { 
        for (inti = 0; i< 4; i++) { 
            executor.execute(new Runnable() { 
                publicvoid run() { 
                // 计算当前sheet的银流数据，计算代码省略 sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1); 
                // 银流计算完成，插入一个屏障 
                try {
                    c.await(); 
                    
                } catch (InterruptedException BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                    } 
                } 
            });
            } 
    }  
    public void run() { 
        intresult = 0; // 汇总每个sheet计算出的结果
        for (Entry<String, Integer>sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) { 
            result += sheet.getValue(); 
        }// 将结果输出
        sheetBankWaterCount.put("result", result); System.out.println(result);
    }
    public static void main(String[] args) { 
    BankWaterService bankWaterCount = new BankWaterService(); bankWaterCount.count(); 
    } 
}

程序执行结果：

4

使用线程池创建4个线程，分别计算每个sheet里的数据，每个sheet计算结果是1，再由BankWaterService线程汇总4个sheet计算出的结果。

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景。例如，如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程重新执行一次。CyclicBarrier还提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以获得Cyclic-Barrier阻塞的线程数量。isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断。代码执行完之后会返回true，其中isBroken的使用代码如代码所示：

importjava.util.concurrent.BrokenBarrierException; importjava.util.concurrent.CyclicBarrier; 
public class CyclicBarrierTest3 { 
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2); 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException， BrokenBarrierException { 
    Thread thread = new Thread(new Runnable() { 
        public void run() {
            try {
                c.await(); 
            } catch (Exception e) {
            } 
        } 
    }); 
    thread.start(); 
    thread.interrupt(); 
    try { 
    c.await();
    } catch (Exception e) {
        System.out.println(c.isBroken());
        } 
    } 
}

程序执行结果为：

true

控制并发线程数的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。

Semaphore可以用于做流量控制，特别是公用资源有限的应用场景，比如数据库连接。假如有一个需求，要读取几万个文件的数据，因为都是IO密集型任务，我们可以启动几十个线程并发地读取，但是如果读到内存后，还需要存储到数据库中，而数据库的连接数只有10个，这时我们必须控制只有10个线程同时获取数据库连接保存数据，否则会报错无法获取数据库连接。这个时候，就可以使用Semaphore来做流量控制，如代码所示：

public class SemaphoreTest { 
    private static final int THREAD_COUNT = 30;
    private static ExecutorServicethreadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT); 
    static Semaphore s = new Semaphore(10); 
    public static void main(String[] args) { 
        for (inti = 0; i< THREAD_COUNT; i++) { threadPool.execute(new Runnable() { 
            public void run() { 
                try {
                    s.acquire();
                    System.out.println("save data"); 
                    s.release(); 
                } catch (InterruptedException e) { } 
            } 
        });
        } 
        threadPool.shutdown(); 
    } 
}

在代码中，虽然有30个线程在执行，但是只允许10个并发执行。Semaphore的构造方法Semaphore（int permits）接受一个整型的数字，表示可用的许可证数量。Semaphore（10）表示允许10个线程获取许可证，也就是最大并发数是10。Semaphore的用法也很简单，首先线程使用Semaphore的acquire()方法获取一个许可证，使用完之后调用release()方法归还许可证。还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证。

2.其他方法

Semaphore还提供一些其他方法，具体如下:

• intavailablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数。
• intgetQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数。
• booleanhasQueuedThreads()：是否有线程正在等待获取许可证。
• void reducePermits（int reduction）：减少reduction个许可证，是个protected方法。
• Collection getQueuedThreads()：返回所有等待获取许可证的线程集合，是个protected方法。

线程间交换数据的Exchanger

Exchanger（交换者）是一个用于线程间协作的工具类。Exchanger用于进行线程间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过exchange方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange()方法，它会一直等待第二个线程也执行exchange方法，当两个线程都到达同步点时，这两个线程就可以交换数据，将本线程生产 出来的数据传递给对方。 下面来看一下Exchanger的应用场景:

Exchanger可以用于遗传算法，遗传算法里需要选出两个人作为交配对象，这时候会交换两人的数据，并使用交叉规则得出2个交配结果。Exchanger也可以用于校对工作，比如我们需要将纸制银行流水通过人工的方式录入成电子银行流水，为了避免错误，采用AB岗两人进行录入，录入到Excel之后，系统需要加载这两个Excel，并对两个Excel数据进行校对，看看是否录入一致，如代码所示：

package Second;

import java.util.concurrent.Exchanger;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ExchangerTest { 
    private static final Exchanger<String>exgr = new Exchanger<String>(); 
    private static ExecutorServicethreadPool = Executors.newFixedThreadPool(2); 
    public static void main(String[] args) { 
        threadPool.execute(new Runnable() {
            public void run() { 
                try { 
                    String A = "银行流水A"; // A录入银行流水数据
                    exgr.exchange(A);
                } catch (InterruptedException e) { } 
            } 
        }); 
        threadPool.execute(new Runnable() {
            public void run() { 
                try { 
                    String B = "银行流水B"; // B录入银行流水数据
                    String A = exgr.exchange("B"); System.out.println("A和B数据是否一致：" + A.equals(B) + "，A录入的是："
+ A + "，B录入是：" + B); 
                    
                } catch (InterruptedException e) { }
                } 
        }); 
        threadPool.shutdown(); 
    } 
}

程序运行结果：

A和B数据是否一致：false，A录入的是：银行流水A，B录入是：银行流水B

如果两个线程有一个没有执行exchange()方法，则会一直等待，如果担心有特殊情况发生，避免一直等待，可以使用exchange（V x，longtimeout，TimeUnit unit）设置最大等待时长。

参考：
《Java并发编程的艺术》