CountDownLatch/CyclicBarrier/Semaphore 使用过吗？

Posted 2021-03-26 2019wxw

CountDownLatch/CyclicBarrier/Semaphore 使用过吗？下面详细介绍用法：

一，CountDownLatch

     背景;

• countDownLatch（同步援助）是在java1.5被引入，跟它一起被引入的工具类还有CyclicBarrier(同步援助)、Semaphore(计数信号量)、concurrentHashMap和BlockingQueue（阻塞队列）。
• 存在于java.util.cucurrent包下。

    概念理解：

     让一些线程阻塞，直到另外一些线程完成一系列操作后才被唤醒。

   主要方法介绍

     通过一个计数器来实现的，计数器的初始值是线程的数量。await方法会被阻塞，每当一个线程执行完毕后，countDown方法会让计数器的值-1，不会阻塞，当计数器的值为0时，表示其他线程都执行完毕后，调用await方法的线程会被唤醒，继续执行。

  源码：

       (1)，countDownLatch类中只提供了一个构造器：

CountDownLatch(int count) 
构造一个 CountDownLatch初始化与给定的数。 

      （2）类中有三个方法是最重要的： 

//调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行
public void await() throws InterruptedException { };   
//和await()类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  
//将count值减1
public void countDown() { }; 

使用举例：

 public static void CountDownLatchUsed() throws InterruptedException {
        CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(6);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
          new Thread(()->{
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"	 下自习走人");
                downLatch.countDown();
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        downLatch.await();
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"自习室关门走人");
    }

运行结果：

  

 

 

 小结：CountDownLatch和CyclicBarrier区别：

1. countDownLatch是一个计数器，线程完成一个记录一个，计数器递减，只能使用一次。
2. CyclicBarrier的计数器更像一个阀门，需要所有线程都到达，然后继续执行，计数器从0开始递增，同时提供reset()方法初始化计数值，可以多次使用。

了解更多：https://blog.csdn.net/chenssy/article/details/49794141#commentBox

二，CyclicBarrier

   概念理解：

   CyclicBarrier字面上就是可循环使用的屏障。当一组线程得到一个屏障（同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会打开，所有被屏障拦截的线程才会继续工作。进入屏障通过await方法。

主要方法介绍：

           

CyclicBarrier的内部是使用重入锁ReentrantLock和Condition。它有两个构造函数：    

• CyclicBarrier(int parties)：创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的线程处于等待状态时启动，但它不会在启动 barrier 时执行预定义的操作。（直到到达屏障时才会去执行）

• CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)：创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的线程处于等待状态时启动，并在启动 barrier 时执行给定的屏障操作，该操作由最后一个进入 barrier 的线程执行。

说明:

（1）parties:拦截线程的数量：

（2）barrierAction：为CyclicBarrier接收的Runnable命令，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction ，用于处理更加复杂的业务场景。

   源码：

  private void breakBarrier() {
        generation.broken = true;
        count = parties;
        trip.signalAll();
    }

  public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }

在CyclicBarrier中最重要的方法莫过于await()方法，在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前，将一直等待。如下：

 public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
        try {
            return dowait(false, 0L);
        } catch (TimeoutException toe) {
            throw new Error(toe); // cannot happen
        }
    }

await()方法内部调用dowait(boolean timed, long nanos)方法：

其实await()的处理逻辑还是比较简单的：如果该线程不是到达的最后一个线程，则他会一直处于等待状态，除非发生以下情况：

1. 最后一个线程到达，即index == 0
2. 超出了指定时间（超时等待）
3. 其他的某个线程中断当前线程
4. 其他的某个线程中断另一个等待的线程
5. 其他的某个线程在等待barrier超时
6. 其他的某个线程在此barrier调用reset()方法。reset()方法用于将屏障重置为初始状态。

应用场景：

   CyclicBarrier试用与多线程结果合并的操作，用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。比如我们需要统计多个Excel中的数据，然后等到一个总结果。我们可以通过多线程处理每一个Excel，执行完成后得到相应的结果，最后通过barrierAction来计算这些线程的计算结果，得到所有Excel的总和。

应用实例：

  比如开会要等所有人到齐了，才会开会：

public class BlockQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("所有人都到齐了吧，咱们开会。。。");
            }
        });
        for (int i = 1; i <= 4; i++) {
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	" + tempInt + "已到位");
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

运行结果：

 

 

 

了解更多：https://blog.csdn.net/chenssy/article/details/70160595 

三，Semaphore 信号量

        概念理解：

     信号量Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器，它本质上是一个“共享锁”。

     理论知识：

    （1） Java并发提供了两种加锁模式，共享锁和独占锁。对于独占锁,他每次只能有一个线程持有，而共享锁则不同，它允许多个线程并行持有锁，并发的访问共享资源。

    （2）独占锁采用的是一种悲观的加锁策略，对于写而言为冲突是必须的，但对于读而言可以进行共享，因为它不印象数据的一致性，如果某个只读线程获取独占锁，则其他读线程都只能等待了，这种情况下就限制了不必要的并发性，降低了吞吐量。而共享锁则不同，它放宽了加锁的条件，采用了乐观锁机制，它是允许多个读线程同时访问同一个共享资源的。  

Semaphore官方解释：

      一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。

    （3）Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。

CountDownLatch和Semephore优缺点对比

     CountDownLatch的问题是不能复用。比如count=3，那么加到3，就不能继续操作了。而Semaphore可以解决这个问题，比如6辆车3个停车位，对于CountDownLatch只能停3辆车，而Semaphore可以停6辆车，车位空出来后，其它车可以占有，这就涉及到了Semaphore.accquire()和Semaphore.release()方法。

    生活实例版本解释：

         我们假设只有三个理发师、一个接待人。一开始来了五个客人，接待人则安排三个客人进行理发，其余两个人必须在那里等着，此后每个来理发店的人都必须等待。一段时间后，一个理发师完成理发后，接待人则安排另一个人（公平还是非公平机制呢？？）来理发。在这里理发师则相当于公共资源，接待人则相当于信号量（Semaphore），客户相当于线程。

   深入理解：

       进一步讲，我们确定信号量Semaphore是一个非负整数（>=1）。当一个线程想要访问某个共享资源时，它必须要先获取Semaphore，当Semaphore >0时，获取该资源并使Semaphore – 1。如果Semaphore值 = 0，则表示全部的共享资源已经被其他线程全部占用，线程必须要等待其他线程释放资源。当线程释放资源时，Semaphore则+1；

       当信号量Semaphore = 1 时，它可以当作互斥锁使用。其中0、1就相当于它的状态，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。

源码分析

（1）Semaphore的结构如下：

      

从上面可以看出，Semaphore和ReentrantLock一样，都是包含公平锁（FairySync）和非公平锁（NonfairSync），两个锁都是继承Sync，而Sync也是继承自AQS。其构造函数如下：

/**
     * 创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。  (默认是非公平锁)
     */
    public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
    
    /**
     * 创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。
     */
    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

（2）信号量的获取：acquire()

---

 

             在ReentrantLock中已经阐述过，公平锁和非公平锁获取锁机制的差别：对于公平锁而言，如果当前线程不在CLH队列（CLH锁是一个自旋锁。能确保无饥饿性。提供先来先服务的公平性）的头部，则需要排队等候，而非公平锁则不同，它无论当前线程处于CLH队列的何处都会直接获取锁。所以公平信号量和非公平信号量的区别也一样。

关于CLH 自旋队列锁 更多知识：https://blog.csdn.net/aesop_wubo/article/details/7533186

源码：

public void acquire() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    } 
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

对于公平信号量和非公平信号量，他们机制的差异就体现在traAcquireShared()方法中：

公平锁 tryAcquireShared() 尝试获取信号量

源码： 

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            //判断该线程是否位于CLH队列的列头，如果是的话返回 -1,调用doAcquireSharedInterruptibly()
            if (hasQueuedPredecessors())
                return -1;
            //获取当前的信号量许可
            int available = getState();
            //设置“获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数”
            int remaining = available - acquires;
            
            //如果剩余信号量 > 0 ,则设置“可获取的信号量”为remaining
            if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }

注意 ： tryAcquireShared是尝试获取 信号量，remaining表示下次可获取的信号量。

（2）hasQueuedPredecessors（） 是否有队列同步器

---

 

对于hasQueuedPredecessors、compareAndSetState在ReentrantLock中已经阐述了，hasQueuedPredecessors用于判断该线程是否位于CLH队列列头，compareAndSetState用于设置state的，它是进行原子操作的。代码如下：

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }
 
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

 （3） doAcquireSharedInterruptibly源代码如下：

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
            /*
             * 创建CLH队列的node节点，Node.SHARED表示该节点为共享锁
             */
            final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
            boolean failed = true;
            try {
                for (;;) {
                    //获取该节点的前继节点
                    final Node p = node.predecessor();
                    //当p为头节点时，基于公平锁机制，线程尝试获取锁
                    if (p == head) {
                        //尝试获取锁
                        int r = tryAcquireShared(arg);    
                        if (r >= 0) {
                            setHeadAndPropagate(node, r);  
                            p.next = null; // help GC
                            failed = false;
                            return;
                        }
                    }
                    //判断当前线程是否需要阻塞，如果阻塞的话，则一直处于阻塞状态知道获取共享锁为止
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        throw new InterruptedException();
                }
            } finally {
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }

View Code

doAcquireSharedInterruptibly主要是做两个工作；1、尝试获取共享锁，2、阻塞线程直到线程获取共享锁。

非公平锁

对于非公平锁就简单多了，她没有那些所谓的要判断是不是CLH队列的列头，如下：

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

View Code

在非公平锁中，tryAcquireShared直接调用AQS的nonfairTryAcquireShared()。通过上面的代码我可看到非公平锁并没有通过if (hasQueuedPredecessors())这样的条件来判断该节点是否为CLH队列的头节点，而是直接判断信号量。

信号量的释放：release()

   信号量Semaphore的释放和获取不同，它没有分公平锁和非公平锁。如下：

public void release() {
        sync.releaseShared(1);
    }
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        //尝试释放共享锁
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

注意：release()释放线索所占有的共享锁，它首先通过tryReleaseShared尝试释放共享锁，如果成功直接返回，如果失败则调用doReleaseShared来释放共享锁。

tryReleaseShared：源码部分：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) {
            int current = getState();
            //信号量的许可数 = 当前信号许可数 + 待释放的信号许可数
            int next = current + releases;
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            //设置可获取的信号许可数为next
            if (compareAndSetState(current, next))
                return true;
        }
    }

View Code

doReleaseShared：源码部分：

private void doReleaseShared() {
            for (;;) {
                //node 头节点
                Node h = head;
                //h != null,且h　!= 尾节点
                if (h != null && h != tail) {
                    //获取h节点对应线程的状态
                    int ws = h.waitStatus;
                    //若h节点状态为SIGNAL，表示h节点的下一个节点需要被唤醒
                    if (ws == Node.SIGNAL) {
                        //设置h节点状态
                        if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                            continue;
                        //唤醒h节点对应的下一个节点
                        unparkSuccessor(h);
                    }
                    //若h节点对应的状态== 0 ，则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态
                    else if (ws == 0 &&
                             !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                        continue;                
                }
                //h == head时，则退出循环，若h节点发生改变时则循环继续
                if (h == head)                  
                    break;
            }
        }

View Code

参考博客：

     JAVA多线程–信号量(Semaphore)

    Java多线程系列--“JUC锁”11之 Semaphore信号量的原理和示例

  【Java并发编程实战】—–“J.U.C”：Semaphore