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Posted 2022-02-06 LL.LEBRON

文章目录

• 《Java并发编程的艺术》读后笔记-Java中的并发工具类（第八章）
• • 1.等待多线程完成的CountDownLatch
  • 2.同步屏障CyclicBarrier
  • • 2.1 CyclicBarrier简介
    • 2.2 CyclicBarrier应用场景
    • 2.3 CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
  • 3.控制并发线程数的Semaphore
  • • 3.1 Semaphore简介
    • 3.2 Semaphore应用场景
  • 4.线程间交换数据的Exchanger
  • • 4.1 Exchanger简介
    • 4.2 Exchanger应用场景

《Java并发编程的艺术》读后笔记-Java中的并发工具类（第八章）

1.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。

我们先看下面这个例子理解一下：

假如有这样一个需求：我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序需要提示解析完成。在这个需求中，要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，最简单的做法是使用 join()方法。

使用join()方法的代码如下：

/**
 * @author xppll
 * @date 2022/1/13 14:18
 */
public class JoinCountDownLatchTest 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread parse1 = new Thread(() -> 
            
        );
        Thread parse2 = new Thread(() -> 
            System.out.println("parse2 finish");
        );
        parse1.start();
        parse2.start();
        parse2.join();
        parse2.join();
        System.out.println("all parser 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，代码片段如 下。

while (isAlive()) 
    wait(0);

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，所以在JDK里看不到，大家可以查看JVM源码。

在JDK 1.5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

使用CountDownLatch的代码如下：

/**
 * @author xppll
 * @date 2022/1/13 14:23
 */
public class CountDownLatchTest 
    static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        new Thread(() -> 
            System.out.println(1);
            c.countDown();
            System.out.println(2);
            c.countDown();
        ).start();
        //阻塞主线程，只有计数器为0了，才不会阻塞
        c.await();
        System.out.println("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。

注意：

• 计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是零，调用await方法时不会阻塞当前线程。
• 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。

2.同步屏障CyclicBarrier

2.1 CyclicBarrier简介

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：

/**
 * @author xppll
 * @date 2022/1/13 14:36
 */
public class CyclicBarrierTest 
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);

    public static void main(String[] args) 
        new Thread(() -> 
            try 
                c.await();
             catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) 
                e.printStackTrace();
            
            System.out.println(1);
        ).start();
        try 
            c.await();
         catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) 
            e.printStackTrace();
        
        System.out.println(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。

第一种可能输出如下：

1
2

第二种可能输出如下:

2
1

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 barrierAction)，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。

代码如下：

/**
 * @author xppll
 * @date 2022/1/13 14:40
 */
public class CyclicBarrierTest2 
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());

    public static void main(String[] args) 
        new Thread(() -> 
            try 
                c.await();
             catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) 
                e.printStackTrace();
            
            System.out.println(1);
        ).start();
        try 
            c.await();
         catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) 
            e.printStackTrace();
        
        System.out.println(2);
    

    static class A implements Runnable 
        @Override
        public void run() 
            System.out.println(3);
        
    

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，所以代码执行后的输出如下。

3
1
2

2.2 CyclicBarrier应用场景

CyclicBarrier可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。

例如，用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个账户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个sheet里的银行流水，都执行完之后，得到每个sheet的日均银行流水，最后，再用barrierAction用这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水。

代码如下：

/**
 * 银行流水处理服务类
 */
public class BankWaterService implements Runnable 
    //创建4给屏障，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给sheet，所以只启动4个线程
    private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4);

    //保存每个sheet计算出的银行流水结果
    private ConcurrentHashMap<String, Integer> sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap<String, Integer>();

    private void count() 
        for (int i = 0; i < 4; i++) 
            executor.execute(() -> 
                //计算当前sheet的银流数据
                sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
                //银流计算法完成，插入一个屏障
                try 
                    //计数减一
                    c.await();
                 catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            );
        
    

    @Override
    public void run() 
        int result = 0;
        //汇总每个sheet计算出的结果
        for (Map.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 bankWaterService = new BankWaterService();
        bankWaterService.count();
    

//输出：
4

2.3 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CyclicBarrier阻塞的线程数量。isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断。

代码如下：

/**
 * @author xppll
 * @date 2022/1/13 15:24
 */
public class CyclicBarrierTest3 
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);

    public static void main(String[] args) 
        Thread thread = new Thread(() -> 
            try 
                c.await();
             catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) 
                e.printStackTrace();
            
        );
        thread.start();
        thread.interrupt();
        try 
            c.await();
         catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) 
            e.printStackTrace();
            System.out.println(c.isBroken());
        
    

//输出：
true

3.控制并发线程数的Semaphore

3.1 Semaphore简介

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。

打个比方：

把Semaphore比作是控制流量的红绿灯。比如××马路要限制流量，只允许同时有一百辆车在这条路上行使，其他的都必须在路口等待，所以前一百辆车会看到绿灯，可以开进这条马路，后面的车会看到红灯，不能驶入××马路，但是如果前一百辆中有5辆车已经离开了××马路，那么后面就允许有5辆车驶入马路，这个例子里说的车就是线程，驶入马路就表示线程在执行，离开马路就表示线程执行完成，看见红灯就表示线程被阻塞，不能执行

3.2 Semaphore应用场景

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。

代码如下：

/**
 * @author xppll
 * @date 2022/1/13 15:32
 */
public class SemaphoreTest 
    public static final int THREAD_COUNT = 30;
    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);

    private static Semaphore s = new Semaphore(10);

    public static void main(String[] args) 
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) 
            threadPool.execute(() -> 
                try 
                    s.acquire();
                    System.out.println("save data");
                    s.release();
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            );
        
        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。

其他方法：

• 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。

4.线程间交换数据的Exchanger

4.1 Exchanger简介

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。

4.2 Exchanger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。

关于第二个应用场景的代码举例：

/**
 * @author xppll
 * @date 2022/1/13 16:14
 */
public class ExchangerTest 
    public static final Exchanger<String> exgr = new Exchanger<String>();
    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);

    public static void main(String[] args) 
        threadPool.execute(() -> 
            try 
                //A录入银行流水数据
                String A = "银行流水A";
                exgr.exchange(A);
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            

        );
        threadPool.execute(() -> 
            try 
                //B录入银行流水数据
                String B = "银行流水B";
                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) 
                e.printStackTrace();
            
        );
        threadPool.shutdown();
    

//输出：
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。