Java中的并发工具类

Posted 2021-01-10 sqmax

一、等待多线程完成的CountDownLatch

需求场景：当我们需要解析一个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sheet都解析完之后，程序需要提示解析完成。
当然我们可以使用join方法，join用于让当前线程等待join线程执行结束。在JDK1.5之后的并发包中提供的CountDownLatch也可以实现join的功能。

CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。
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，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变为零。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。

public class CountDownLatchTest {
    static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);

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

        c.await();
        System.out.println(3);
    }
}

上面执行结果可能是2 1 finished，也可能是1 2 finished，总之1、2在finished之前输出。

二、同步屏障CyclicBarrier

CyclicBarrier要做的事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。

public class CyclicBarrierTest {
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    c.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(1);
            }
        }).start();

        try {
            c.await();
        } catch (Exception 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，所以输出1 2，有可能是输出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，既没有第三个线程到达屏障，所以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 barrieAction)，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。

public class CyclicBarrierTest1 {
    static CyclicBarrier c=new CyclicBarrier(2, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("initialize....");
        }
    });

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

上面会首先输出initialize....

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根据这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水。

public class CyclicBarrierTest2 implements Runnable{
    private CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(4, this);

    private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4);

    private ConcurrentHashMap<String, Integer> sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap<>();

    private void count() {
        for (int i=0;i<4;i++) {
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        //模拟计算当前sheet的流水数据。
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
                    try {
                        //银流计算完成，插入一个屏障
                        c.await();
                    } catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        int result=0;
        //所有线程到达屏障后，汇总每个sheet计算出的结果
        for (Map.Entry<String, Integer> sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
            result+=sheet.getValue();
        }
        sheetBankWaterCount.put("result", result);
        System.out.println(result);
    }

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrierTest2 barrierTest2=new CyclicBarrierTest2();
        barrierTest2.count();
    }
}

控制并发线程数的Semaphore

Semaphore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，以保证合理地使用公共资源。
应用场景：
Semaphore可以用于做流量控制，特别是公共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，但是如果读到内存中，还需要存储到数据库中，而数据库的连接数只有10个，这是我们必须控制只有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。

public class SemaphoreTest {
    private 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(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        s.acquire();
                        System.out.println("save data");
                        s.release();
                    } catch (Exception 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)接受一个整数的数字，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。

线程间交换数据的Exchanger

Exchanger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exchanger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。

应用场景：
Exchanger可用与校对工作，比如我们需要将纸质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。

public class ExchangerTest {
    private static final Exchanger<String> exchanger=new Exchanger<>();
    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);

    public static void main(String[] args) {

        threadPool.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                String a = "银行流水A";
                try {
                    a=exchanger.exchange(a);
                    System.out.println("交换后，a="+a);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        threadPool.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                String b = "银行流水B";
                try {
                    b=exchanger.exchange(b);
                    System.out.println("交换后，b="+b);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        threadPool.shutdown();
    }
}

上面输出：

交换后，a=银行流水B
交换后，b=银行流水A

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，可以用exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)设置最大等待时长。