25.大白话说java并发工具类-CountDownLatch,CyclicBarrier,Semaphore,Exchanger

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了25.大白话说java并发工具类-CountDownLatch,CyclicBarrier,Semaphore,Exchanger相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

1. 倒计时器CountDownLatch

在多线程协作完成业务功能时,有时候需要等待其他多个线程完成任务之后,主线程才能继续往下执行业务功能,在这种的业务场景下,通常可以使用Thread类的join方法,让主线程等待被join的线程执行完之后,主线程才能继续往下执行。当然,使用线程间消息通信机制也可以完成。其实,java并发工具类中为我们提供了类似“倒计时”这样的工具类,可以十分方便的完成所说的这种业务场景。

为了能够理解CountDownLatch,举一个很通俗的例子,运动员进行跑步比赛时,假设有6个运动员参与比赛,裁判员在终点会为这6个运动员分别计时,可以想象每当一个运动员到达终点的时候,对于裁判员来说就少了一个计时任务。直到所有运动员都到达终点了,裁判员的任务也才完成。这6个运动员可以类比成6个线程,当线程调用CountDownLatch.countDown方法时就会对计数器的值减一,直到计数器的值为0的时候,裁判员(调用await方法的线程)才能继续往下执行。

下面来看些CountDownLatch的一些重要方法。

先从CountDownLatch的构造方法看起:

public CountDownLatch(int count)

构造方法会传入一个整型数N,之后调用CountDownLatch的countDown方法会对N减一,直到N减到0的时候,当前调用await方法的线程继续执行。

CountDownLatch的方法不是很多,将它们一个个列举出来:

  1. await() throws InterruptedException:调用该方法的线程等到构造方法传入的N减到0的时候,才能继续往下执行;

  2. await(long timeout, TimeUnit unit):与上面的await方法功能一致,只不过这里有了时间限制,调用该方法的线程等到指定的timeout时间后,不管N是否减至为0,都会继续往下执行;

  3. countDown():使CountDownLatch初始值N减1;

  4. long getCount():获取当前CountDownLatch维护的值;

下面用一个具体的例子来说明CountDownLatch的具体用法:

public class CountDownLatchDemo {
private static CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
//用来表示裁判员需要维护的是6个运动员
private static CountDownLatch endSignal = new CountDownLatch(6);
?
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(6);
   for (int i = 0; i < 6; i++) {
       executorService.execute(() -> {
           try {
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运动员等待裁判员响哨!!!");
               startSignal.await();
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在全力冲刺");
               endSignal.countDown();
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 到达终点");
          } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
          }
      });
  }
   Thread.sleep(10);
   System.out.println("裁判员发号施令啦!!!");
   startSignal.countDown();
   endSignal.await();
   System.out.println("所有运动员到达终点,比赛结束!");
   executorService.shutdown();
}
}
输出结果:
?
pool-1-thread-2 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-3 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-1 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-4 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-5 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-6 运动员等待裁判员响哨!!!
裁判员发号施令啦!!!
pool-1-thread-2正在全力冲刺
pool-1-thread-2  到达终点
pool-1-thread-3正在全力冲刺
pool-1-thread-3  到达终点
pool-1-thread-1正在全力冲刺
pool-1-thread-1  到达终点
pool-1-thread-4正在全力冲刺
pool-1-thread-4  到达终点
pool-1-thread-5正在全力冲刺
pool-1-thread-5  到达终点
pool-1-thread-6正在全力冲刺
pool-1-thread-6  到达终点
所有运动员到达终点,比赛结束!

该示例代码中设置了两个CountDownLatch,第一个endSignal用于控制让main线程(裁判员)必须等到其他线程(运动员)让CountDownLatch维护的数值N减到0为止。另一个startSignal用于让main线程对其他线程进行“发号施令”,startSignal引用的CountDownLatch初始值为1,而其他线程执行的run方法中都会先通过 startSignal.await()让这些线程都被阻塞,直到main线程通过调用startSignal.countDown();,将值N减1,CountDownLatch维护的数值N为0后,其他线程才能往下执行,并且,每个线程执行的run方法中都会通过endSignal.countDown();endSignal维护的数值进行减一,由于往线程池提交了6个任务,会被减6次,所以endSignal维护的值最终会变为0,因此main线程在latch.await();阻塞结束,才能继续往下执行。

另外,需要注意的是,当调用CountDownLatch的countDown方法时,当前线程是不会被阻塞,会继续往下执行,比如在该例中会继续输出pool-1-thread-4 到达终点

2. 循环栅栏:CyclicBarrier

CyclicBarrier也是一种多线程并发控制的实用工具,和CountDownLatch一样具有等待计数的功能,但是相比于CountDownLatch功能更加强大。

为了理解CyclicBarrier,这里举一个通俗的例子。开运动会时,会有跑步这一项运动,我们来模拟下运动员入场时的情况,假设有6条跑道,在比赛开始时,就需要6个运动员在比赛开始的时候都站在起点了,裁判员吹哨后才能开始跑步。跑道起点就相当于“barrier”,是临界点,而这6个运动员就类比成线程的话,就是这6个线程都必须到达指定点了,意味着凑齐了一波,然后才能继续执行,否则每个线程都得阻塞等待,直至凑齐一波即可。cyclic是循环的意思,也就是说CyclicBarrier当多个线程凑齐了一波之后,仍然有效,可以继续凑齐下一波。CyclicBarrier的执行示意图如下:

技术图片

 

当多个线程都达到了指定点后,才能继续往下继续执行。这就有点像报数的感觉,假设6个线程就相当于6个运动员,到赛道起点时会报数进行统计,如果刚好是6的话,这一波就凑齐了,才能往下执行。CyclicBarrier在使用一次后,下面依然有效,可以继续当做计数器使用,这是与CountDownLatch的区别之一。这里的6个线程,也就是计数器的初始值6,是通过CyclicBarrier的构造方法传入的。

下面来看下CyclicBarrier的主要方法:

//等到所有的线程都到达指定的临界点
await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException
?
//与上面的await方法功能基本一致,只不过这里有超时限制,阻塞等待直至到达超时时间为止
await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException,
BrokenBarrierException, TimeoutException
?
//获取当前有多少个线程阻塞等待在临界点上
int getNumberWaiting()
?
//用于查询阻塞等待的线程是否被中断
boolean isBroken()
//将屏障重置为初始状态。如果当前有线程正在临界点等待的话,将抛出BrokenBarrierException。
void reset()

 

另外需要注意的是,CyclicBarrier提供了这样的构造方法:

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)

可以用来,当指定的线程都到达了指定的临界点的时,接下来执行的操作可以由barrierAction传入即可。

一个例子

下面用一个简单的例子,来看下CyclicBarrier的用法,我们来模拟下上面的运动员的例子。

public class CyclicBarrierDemo {
   //指定必须有6个运动员到达才行
   private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(6, () -> {
       System.out.println("所有运动员入场,裁判员一声令下!!!!!");
  });
   public static void main(String[] args) {
       System.out.println("运动员准备进场,全场欢呼............");
?
       ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(6);
       for (int i = 0; i < 6; i++) {
           service.execute(() -> {
               try {
                   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运动员,进场");
                   barrier.await();
                   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运动员出发");
              } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
              } catch (BrokenBarrierException e) {
                   e.printStackTrace();
              }
          });
      }
  }
?
}
?
输出结果:
运动员准备进场,全场欢呼............
pool-1-thread-2 运动员,进场
pool-1-thread-1 运动员,进场
pool-1-thread-3 运动员,进场
pool-1-thread-4 运动员,进场
pool-1-thread-5 运动员,进场
pool-1-thread-6 运动员,进场
所有运动员入场,裁判员一声令下!!!!!
pool-1-thread-6  运动员出发
pool-1-thread-1  运动员出发
pool-1-thread-5  运动员出发
pool-1-thread-4  运动员出发
pool-1-thread-3  运动员出发
pool-1-thread-2  运动员出发

从输出结果可以看出,当6个运动员(线程)都到达了指定的临界点(barrier)时候,才能继续往下执行,否则,则会阻塞等待在调用await()

3. CountDownLatch与CyclicBarrier的比较

CountDownLatch与CyclicBarrier都是用于控制并发的工具类,都可以理解成维护的就是一个计数器,但是这两者还是各有不同侧重点的:

  1. CountDownLatch一般用于某个线程A等待若干个其他线程执行完任务之后,它才执行;而CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态,然后这一组线程再同时执行;CountDownLatch强调一个线程等多个线程完成某件事情。CyclicBarrier是多个线程互相等待,等大家都完成,再携手共进。

  2. 调用CountDownLatch的countDown方法后,当前线程并不会阻塞,会继续往下执行;而调用CyclicBarrier的await方法,会阻塞当前线程,直到CyclicBarrier指定的线程全部都到达了指定点的时候,才能继续往下执行;

  3. CountDownLatch方法比较少,操作比较简单,而CyclicBarrier提供的方法更多,比如能够通过getNumberWaiting(),isBroken()这些方法获取当前多个线程的状态,并且CyclicBarrier的构造方法可以传入barrierAction,指定当所有线程都到达时执行的业务功能;

  4. CountDownLatch是不能复用的,而CyclicLatch是可以复用的。

  5. 1. 控制资源并发访问--Semaphore

    Semaphore可以理解为信号量,用于控制资源能够被并发访问的线程数量,以保证多个线程能够合理的使用特定资源。Semaphore就相当于一个许可证,线程需要先通过acquire方法获取该许可证,该线程才能继续往下执行,否则只能在该方法处阻塞等待。当执行完业务功能后,需要通过release()方法将许可证归还,以便其他线程能够获得许可证继续执行。

    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。假如有多个线程读取数据后,需要将数据保存在数据库中,而可用的最大数据库连接只有10个,这时候就需要使用Semaphore来控制能够并发访问到数据库连接资源的线程个数最多只有10个。在限制资源使用的应用场景下,Semaphore是特别合适的。

    下面来看下Semaphore的主要方法:

    //获取许可,如果无法获取到,则阻塞等待直至能够获取为止
    void acquire() throws InterruptedException
    ?
    //同acquire方法功能基本一样,只不过该方法可以一次获取多个许可
    void acquire(int permits) throws InterruptedException
    ?
    //释放许可
    void release()
    ?
    //释放指定个数的许可
    void release(int permits)
    ?
    //尝试获取许可,如果能够获取成功则立即返回true,否则,则返回false
    boolean tryAcquire()
    ?
    //与tryAcquire方法一致,只不过这里可以指定获取多个许可
    boolean tryAcquire(int permits)
    ?
    //尝试获取许可,如果能够立即获取到或者在指定时间内能够获取到,则返回true,否则返回false
    boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
    ?
    //与上一个方法一致,只不过这里能够获取多个许可
    boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
    //返回当前可用的许可证个数
    int availablePermits()
    ?
    //返回正在等待获取许可证的线程数
    int getQueueLength()
    ?
    //是否有线程正在等待获取许可证
    boolean hasQueuedThreads()
    ?
    //获取所有正在等待许可的线程集合
    Collection<Thread> getQueuedThreads()

    另外,在Semaphore的构造方法中还支持指定是否具有公平性,默认的是非公平性,这样也是为了保证吞吐量。

    一个例子

    下面用一个简单的例子来说明Semaphore的具体使用。我们来模拟这样一样场景。有一天,班主任需要班上10个同学到讲台上来填写一个表格,但是老师只准备了5支笔,因此,只能保证同时只有5个同学能够拿到笔并填写表格,没有获取到笔的同学只能够等前面的同学用完之后,才能拿到笔去填写表格。该示例代码如下:

     

    public class SemaphoreDemo {
    ?
       //表示老师只有5支笔
       private static Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
    ?
       public static void main(String[] args) {
    ?
           //表示10个学生
           ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
           for (int i = 0; i < 10; i++) {
               service.execute(() -> {
                   try {
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 同学准备获取笔......");
                       semaphore.acquire();
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 同学获取到笔");
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 填写表格ing.....");
                       TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                       semaphore.release();
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 填写完表格,归还了笔!!!!!!");
                  } catch (InterruptedException e) {
                       e.printStackTrace();
                  }
              });
          }
           service.shutdown();
      }
    ?
    }
    输出结果:
    ?
    pool-1-thread-1  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-1  同学获取到笔
    pool-1-thread-1  填写表格ing.....
    pool-1-thread-2  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-2  同学获取到笔
    pool-1-thread-2  填写表格ing.....
    pool-1-thread-3  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-4  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-3  同学获取到笔
    pool-1-thread-4  同学获取到笔
    pool-1-thread-4  填写表格ing.....
    pool-1-thread-3  填写表格ing.....
    pool-1-thread-5  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-5  同学获取到笔
    pool-1-thread-5  填写表格ing.....
    pool-1-thread-6  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-7  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-8  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-9  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-10  同学准备获取笔......
    pool-1-thread-4  填写完表格,归还了笔!!!!!!
    pool-1-thread-9  同学获取到笔
    pool-1-thread-9  填写表格ing.....
    pool-1-thread-5  填写完表格,归还了笔!!!!!!
    pool-1-thread-7  同学获取到笔
    pool-1-thread-7  填写表格ing.....
    pool-1-thread-8  同学获取到笔
    pool-1-thread-8  填写表格ing.....
    pool-1-thread-1  填写完表格,归还了笔!!!!!!
    pool-1-thread-6  同学获取到笔
    pool-1-thread-6  填写表格ing.....
    pool-1-thread-3  填写完表格,归还了笔!!!!!!
    pool-1-thread-2  填写完表格,归还了笔!!!!!!
    pool-1-thread-10  同学获取到笔
    pool-1-thread-10  填写表格ing.....
    pool-1-thread-7  填写完表格,归还了笔!!!!!!
    pool-1-thread-9  填写完表格,归还了笔!!!!!!
    pool-1-thread-8  填写完表格,归还了笔!!!!!!
    pool-1-thread-6  填写完表格,归还了笔!!!!!!
    pool-1-thread-10  填写完表格,归还了笔!!!!!!

    根据输出结果进行分析,Semaphore允许的最大许可数为5,也就是允许的最大并发执行的线程个数为5,可以看出,前5个线程(前5个学生)先获取到笔,然后填写表格,而6-10这5个线程,由于获取不到许可,只能阻塞等待。当线程pool-1-thread-5释放了许可之后,pool-6-thread-10`就可以获取到许可,继续往下执行。对其他线程的执行过程,也是同样的道理。从这个例子就可以看出,Semaphore用来做特殊资源的并发访问控制是相当合适的,如果有业务场景需要进行流量控制,可以优先考虑Semaphore。

    2.线程间交换数据的工具--Exchanger

    Exchanger是一个用于线程间协作的工具类,用于两个线程间能够交换。它提供了一个交换的同步点,在这个同步点两个线程能够交换数据。具体交换数据是通过exchange方法来实现的,如果一个线程先执行exchange方法,那么它会同步等待另一个线程也执行exchange方法,这个时候两个线程就都达到了同步点,两个线程就可以交换数据。

    Exchanger除了一个无参的构造方法外,主要方法也很简单:

    //当一个线程执行该方法的时候,会等待另一个线程也执行该方法,因此两个线程就都达到了同步点
    //将数据交换给另一个线程,同时返回获取的数据
    V exchange(V x) throws InterruptedException
    ?
    //同上一个方法功能基本一样,只不过这个方法同步等待的时候,增加了超时时间
    V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)
       throws InterruptedException, TimeoutException

    一个例子

    Exchanger理解起来很容易,这里用一个简单的例子来看下它的具体使用。我们来模拟这样一个情景,在青春洋溢的中学时代,下课期间,男生经常会给走廊里为自己喜欢的女孩子送情书,相信大家都做过这样的事情吧 :)。男孩会先到女孩教室门口,然后等女孩出来,教室那里就是一个同步点,然后彼此交换信物,也就是彼此交换了数据。现在,就来模拟这个情景。

    public class ExchangerDemo {
       private static Exchanger<String> exchanger = new Exchanger();
    ?
       public static void main(String[] args) {
    ?
           //代表男生和女生
           ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);
    ?
           service.execute(() -> {
               try {
                   //男生对女生说的话
                   String girl = exchanger.exchange("我其实暗恋你很久了......");
                   System.out.println("女孩儿说:" + girl);
              } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
              }
          });
           service.execute(() -> {
               try {
                   System.out.println("女生慢慢的从教室里走出来......");
                   TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                   //女生对男生说的话
                   String boy = exchanger.exchange("我也很喜欢你......");
                   System.out.println("男孩儿说:" + boy);
              } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
              }
          });
    ?
      }
    }
    ?
    输出结果:
    ?
    女生慢慢的从教室你走出来......
    男孩儿说:我其实暗恋你很久了......
    女孩儿说:我也很喜欢你......

    这个例子很简单,也很能说明Exchanger的基本使用。当两个线程都到达调用exchange方法的同步点的时候,两个线程就能交换彼此的数据。





















































































































































































































































以上是关于25.大白话说java并发工具类-CountDownLatch,CyclicBarrier,Semaphore,Exchanger的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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