Java多线程21：多线程下的其他组件之CyclicBarrierCallableFuture和FutureTask

Posted 2021-06-28 Java_may

CyclicBarrier

接着讲多线程下的其他组件，第一个要讲的就是CyclicBarrier。CyclicBarrier从字面理解是指循环屏障，它可以协同多个线程，让多个线程在这个屏障前等待，直到所有线程都达到了这个屏障时，再一起继续执行后面的动作。看一下CyclicBarrier的使用实例：

public static class CyclicBarrierThread extends Thread
{
    private CyclicBarrier cb;
    private int sleepSecond;
        
    public CyclicBarrierThread(CyclicBarrier cb, int sleepSecond)
    {
        this.cb = cb;
        this.sleepSecond = sleepSecond;
    }
        
    public void run()
    {
        try
        {
            System.out.println(this.getName() + "运行了");
            Thread.sleep(sleepSecond * 1000);
            System.out.println(this.getName() + "准备等待了, 时间为" + System.currentTimeMillis());
            cb.await();
            System.out.println(this.getName() + "结束等待了, 时间为" + System.currentTimeMillis());
        }
        catch (Exception e)
        {
            e.printStackTrace();
        } 
    }
}
    
public static void main(String[] args)
{
    Runnable runnable = new Runnable()
    {
        public void run()
        {
            System.out.println("CyclicBarrier的所有线程await()结束了，我运行了, 时间为" + System.currentTimeMillis());
        }
    };
    CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(3, runnable);
    CyclicBarrierThread cbt0 = new CyclicBarrierThread(cb, 3);
    CyclicBarrierThread cbt1 = new CyclicBarrierThread(cb, 6);
    CyclicBarrierThread cbt2 = new CyclicBarrierThread(cb, 9);
    cbt0.start();
    cbt1.start();
    cbt2.start();
}

 

看一下运行结果：

Thread-0运行了
Thread-2运行了
Thread-1运行了
Thread-0准备等待了, 时间为1444650316313
Thread-1准备等待了, 时间为1444650319313
Thread-2准备等待了, 时间为1444650322313
CyclicBarrier的所有线程await()结束了，我运行了, 时间为1444650322313
Thread-2结束等待了, 时间为1444650322313
Thread-0结束等待了, 时间为1444650322313
Thread-1结束等待了, 时间为1444650322313

 

从运行结果看，由于是同一个CyclicBarrier，Thread-0先运行到了await()的地方，等着；Thread-2接着运行到了await()的地方，还等着；Thread-1最后运行到了await()的地方，所有的线程都运行到了await()的地方，所以三个线程以及指定的Runnable"同时"运行后面的代码，可以看到，await()之后，四个线程运行的时间一模一样，都是1444650322313。

从使用来看，可能有人觉得CyclicBarrier和CountDownLatch有点像，都是多个线程等待相互完成之后，再执行后面的代码。实际上，CountDownLatch和CyclicBarrier都是用于多个线程间的协调的，它们二者的几个差别是：

1、CountDownLatch是在多个线程都进行了latch.countDown()后才会触发事件，唤醒await()在latch上的线程，而执行countDown()的线程，执行完countDown()后会继续自己线程的工作；CyclicBarrier是一个栅栏，用于同步所有调用await()方法的线程，线程执行了await()方法之后并不会执行之后的代码，而只有当执行await()方法的线程数等于指定的parties之后，这些执行了await()方法的线程才会同时运行

2、CountDownLatch不能循环使用，计数器减为0就减为0了，不能被重置；CyclicBarrier提供了reset()方法，支持循环使用

3、CountDownLatch当调用countDown()方法的线程数等于指定的数量之后，可以唤起多条线程的任务；CyclicBarrier当执行await()方法的线程等于指定的数量之后，只能唤起一个BarrierAction

注意，因为使用CyclicBarrier的线程都会阻塞在await方法上，所以在线程池中使用CyclicBarrier时要特别小心，如果线程池的线程过少，那么就会发生死锁了

Callable、Future和FutureTask

Callable

Callable和Runnable差不多，两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类而设计的，最主要的差别在于Runnable不会返回线程运算结果，Callable可以（假如线程需要返回运行结果）

Future

Future是一个接口表示异步计算的结果，它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并获取计算的结果。Future提供了get()、cancel()、isCancel()、isDone()四种方法，表示Future有三种功能：

1、判断任务是否完成

2、中断任务

3、获取任务执行结果

FutureTask

FutureTask是Future的实现类，它提供了对Future的基本实现。可使用FutureTask包装Callable或Runnable对象，因为FutureTask实现了Runnable，所以也可以将FutureTask提交给Executor。

使用方法

Callable、Future、FutureTask一般都是和线程池配合使用的，因为线程池ThreadPoolExecutor的父类AbstractExecutorService提供了三种submit方法：

1、public Future<?> subit(Runnable task){...}

2、public <T> Future<T> submit<Runnable task, T result>{...}

3、public <T> Future<T> submit<Callable<T> task>{...}

第2个用得不多，第1个和第3个比较有用

Callable+Future使用示例

public static class CallableThread implements Callable<String>
{
    public String call() throws Exception
    {
        System.out.println("进入CallableThread的call()方法, 开始睡觉, 睡觉时间为" + System.currentTimeMillis());
        Thread.sleep(10000);
        return "123";
    }
}
    
public static void main(String[] args) throws Exception
{
    ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
    CallableThread ct = new CallableThread();
    Future<String> f = es.submit(ct);
    es.shutdown();
        
    Thread.sleep(5000);
    System.out.println("主线程等待5秒, 当前时间为" + System.currentTimeMillis());
        
    String str = f.get();
    System.out.println("Future已拿到数据, str = " + str + ", 当前时间为" + System.currentTimeMillis());
}

 

运行结果为：

进入CallableThread的call()方法, 开始睡觉, 睡觉时间为1444654421368
主线程等待5秒, 当前时间为1444654426369
Future已拿到数据, str = 123, 当前时间为1444654431369

看到任意一个利用Callable接口submit上去的任务，只要有一个Future接受它，Future便可以在程序任何地点尝试去获取这条线程返回出去的数据，时间可以比对一下，正好10000ms，即10s

Callable+FutureTask使用示例

有兴趣的可以看下源码，其实使用Callable+Future的方式，es.submit(ct)方法返回的Future，底层实现new出来的是一个FutureTask。那么，我们看一下Callable+FutureTask的方式：

public static class CallableThread implements Callable<String>
{
    public String call() throws Exception
    {
        System.out.println("进入CallableThread的call()方法, 开始睡觉, 睡觉时间为" + System.currentTimeMillis());
        Thread.sleep(10000);
        return "123";
    }
}
    
public static void main(String[] args) throws Exception
{
    ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
    CallableThread ct = new CallableThread();
    FutureTask<String> f = new FutureTask<String>(ct);
    es.submit(f);
    es.shutdown();
        
    Thread.sleep(5000);
    System.out.println("主线程等待5秒, 当前时间为" + System.currentTimeMillis());
        
    String str = f.get();
    System.out.println("Future已拿到数据, str = " + str + ", 当前时间为" + System.currentTimeMillis());
}

 

看下运行结果：

进入CallableThread的call()方法, 开始睡觉, 睡觉时间为1444655049199
主线程等待5秒, 当前时间为1444655054200
Future已拿到数据, str = 123, 当前时间为1444655059200

和上面的写法运行结果一样，就不解释了

使用Callable、Future和FutureTask的好处

上面演示了两个例子，其实反映的是现实中一种情况，把上面的例子稍微扩展一下就是：

有一个method()方法，方法中执行方法A返回一个数据要10秒钟，A方法后面的代码一共要执行20秒钟，但是这20秒的代码中有10秒的方法并不依赖方法A的执行结果，有10秒钟的代码依赖方法A的执行结果。此时若采用同步的方式，那么势必要先等待10秒钟，等待方法A执行完毕，返回数据，再执行后面20秒的代码。

不得不说这是一种低效率的做法。有了Callable、Future和FutureTask，那么：

1、先把A方法的内容放到Callable实现类的call()方法中

2、method()方法中，Callable实现类传入Executor的submit方法中

3、执行后面方法中10秒不依赖方法A运行结果的代码

4、获取方法A的运行结果，执行后面方法中10秒依赖方法A运行结果的代码

这样代码执行效率一下子就提高了，程序不必卡在A方法处。

当然，也可以不用Callable，采用实现Runnable的方式，run()方法执行完了想个办法给method()方法中的某个变量V赋个值就好了。但是我上一篇文章开头就说了，之所以要用多线程组件，就是因为JDK帮我们很好地实现好了代码细节，让开发者更多可以关注业务层的逻辑。如果使用Runnable的方式，那么我们自己就要考虑很多细节，比如Runnable实现类的run()方法执行完毕给V赋值是否线程安全、10秒后如果A方法没有执行完导致V还没有值怎么办，何况JDK还给用户提供了取消任务、判断任务是否存在等方法。既然JDK已经帮我们考虑并实现这些细节了，在没有有说服力的理由的情况下，我们为什么还要自己写run()方法的实现呢？ 

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我不能保证写的每个地方都是对的，但是至少能保证不复制、不黏贴，保证每一句话、每一行代码都经过了认真的推敲、仔细的斟酌。每一篇文章的背后，希望都能看到自己对于技术、对于生活的态度。

我相信乔布斯说的，只有那些疯狂到认为自己可以改变世界的人才能真正地改变世界。面对压力，我可以挑灯夜战、不眠不休；面对困难，我愿意迎难而上、永不退缩。

其实我想说的是，我只是一个程序员，这就是我现在纯粹人生的全部。