JAVA并发同步工具类

Posted 2020-07-05

同步工具类主要包括闭锁（如CountDownLatch），栅栏（如CyclicBarrier），信号量（如Semaphore）和阻塞队列（如LinkedBlockingQueue）等；

使用同步工具类可以协调线程的控制流；

同步工具类封装了一些状态，这些状态决定线程是继续执行还是等待，此外同步工具类还提供了修改状态的方法；

下面将简单介绍以上同步工具类；

闭锁

可以让一个线程等待一组事件发生后（不一定要线程结束）继续执行；

以CountDownLatch为例，内部包含一个计数器，一开始初始化为一个整数（事件个数），发生一个事件后，调用countDown方法，计数器减1，await用于等待计数器为0后继续执行当前线程；

举个例子如下，main线程等待其它子线程的事件发生后继续执行main线程：

package concurrency;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

class TaskTest implements Runnable {

    private CountDownLatch latch;
    private int sleepTime;

    /**
     * 
     */
    public TaskTest(int sleepTime, CountDownLatch latch) {
        this.sleepTime = sleepTime;
        this.latch = latch;
    }

    /**
     * @see java.lang.Runnable#run()
     */
    @Override
    public void run() {
        try {
            CountDownLatchTest.print(" is running。");
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(sleepTime);
            CountDownLatchTest.print(" finished。");
            //计数器减减
            latch.countDown();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

public class CountDownLatchTest {
    public static void main(String[] args) {
        int count = 10;
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(count);
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(count);
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            es.execute(new TaskTest((i + 1) * 1000, latch));
        }

        try {
            CountDownLatchTest.print(" waiting...");
            //主线程等待其它事件发生
            latch.await();
            //其它事件已发生，继续执行主线程
            CountDownLatchTest.print(" continue。。。");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            es.shutdown();
        }
    }
    
    public static void print(String str){
        SimpleDateFormat dfdate = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
        System.out.println("[" + dfdate.format(new Date()) + "]" + Thread.currentThread().getName() + str);
    }
}

结果打印如下：

[09:41:43]pool-1-thread-1 is running。
[09:41:43]pool-1-thread-6 is running。
[09:41:43]main waiting...
[09:41:43]pool-1-thread-10 is running。
[09:41:43]pool-1-thread-4 is running。
[09:41:43]pool-1-thread-5 is running。
[09:41:43]pool-1-thread-2 is running。
[09:41:43]pool-1-thread-3 is running。
[09:41:43]pool-1-thread-7 is running。
[09:41:43]pool-1-thread-8 is running。
[09:41:43]pool-1-thread-9 is running。
[09:41:44]pool-1-thread-1 finished。
[09:41:45]pool-1-thread-2 finished。
[09:41:46]pool-1-thread-3 finished。
[09:41:47]pool-1-thread-4 finished。
[09:41:48]pool-1-thread-5 finished。
[09:41:49]pool-1-thread-6 finished。
[09:41:50]pool-1-thread-7 finished。
[09:41:51]pool-1-thread-8 finished。
[09:41:52]pool-1-thread-9 finished。
[09:41:53]pool-1-thread-10 finished。
[09:41:53]main continue。。。

 此外，FutureTask也可用作闭锁，其get方法会等待任务完成后返回结果，否则一直阻塞直到任务完成；

信号量

控制同时执行某个指定操作的数量，常用于实现资源池，如数据库连接池，线程池...
以Semaphore为例，其内部维护一组资源，可以通过构造函数指定数目，其它线程在执行的时候，可以通过acquire方法获取资源，有的话，继续执行（使用结束后释放资源），没有资源的话将阻塞直到有其它线程调用release方法释放资源；

举个例子，如下代码，十个线程竞争三个资源，一开始有三个线程可以直接运行，剩下的七个线程只能阻塞等到其它线程使用资源完毕才能执行；

package concurrency;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class SemaphoreTest {
    
    public static void print(String str){
        SimpleDateFormat dfdate = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
        System.out.println("[" + dfdate.format(new Date()) + "]" + Thread.currentThread().getName() + str);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        // 线程数目
        int threadCount = 10;
        // 资源数目
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(threadCount);

        // 启动若干线程
        for (int i = 0; i < threadCount; i++)
            es.execute(new ConsumeResourceTask((i + 1) * 1000, semaphore));
    }
}

class ConsumeResourceTask implements Runnable {
    private Semaphore semaphore;
    private int sleepTime;

    /**
         * 
         */
    public ConsumeResourceTask(int sleepTime, Semaphore semaphore) {
        this.sleepTime = sleepTime;
        this.semaphore = semaphore;
    }

    public void run() {
        try {
            //获取资源
            semaphore.acquire();
            SemaphoreTest.print(" 占用一个资源...");
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(sleepTime);
            SemaphoreTest.print(" 资源使用结束，释放资源");
            //释放资源
            semaphore.release();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

[10:30:11]pool-1-thread-1 占用一个资源...
[10:30:11]pool-1-thread-2 占用一个资源...
[10:30:11]pool-1-thread-3 占用一个资源...
[10:30:12]pool-1-thread-1 资源使用结束，释放资源
[10:30:12]pool-1-thread-4 占用一个资源...
[10:30:13]pool-1-thread-2 资源使用结束，释放资源
[10:30:13]pool-1-thread-5 占用一个资源...
[10:30:14]pool-1-thread-3 资源使用结束，释放资源
[10:30:14]pool-1-thread-8 占用一个资源...
[10:30:16]pool-1-thread-4 资源使用结束，释放资源
[10:30:16]pool-1-thread-6 占用一个资源...
[10:30:18]pool-1-thread-5 资源使用结束，释放资源
[10:30:18]pool-1-thread-9 占用一个资源...
[10:30:22]pool-1-thread-8 资源使用结束，释放资源
[10:30:22]pool-1-thread-7 占用一个资源...
[10:30:22]pool-1-thread-6 资源使用结束，释放资源
[10:30:22]pool-1-thread-10 占用一个资源...
[10:30:27]pool-1-thread-9 资源使用结束，释放资源
[10:30:29]pool-1-thread-7 资源使用结束，释放资源
[10:30:32]pool-1-thread-10 资源使用结束，释放资源

栅栏

栅栏用于等待其它线程，且会阻塞自己当前线程；

所有线程必须同时到达栅栏位置后，才能继续执行；

举个例子如下：

package concurrency;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

class CyclicBarrierTaskTest implements Runnable {
    private CyclicBarrier cyclicBarrier;

    private int timeout;

    public CyclicBarrierTaskTest(CyclicBarrier cyclicBarrier, int timeout) {
        this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        this.timeout = timeout;
    }

    @Override
    public void run() {
        TestCyclicBarrier.print(" 正在running...");
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(timeout);
            TestCyclicBarrier.print(" 到达栅栏处，等待其它线程到达");
            cyclicBarrier.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        TestCyclicBarrier.print(" 所有线程到达栅栏处，继续执行各自线程任务...");
    }
}

public class TestCyclicBarrier {

    public static void print(String str) {
        SimpleDateFormat dfdate = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
        System.out.println("[" + dfdate.format(new Date()) + "]"
                + Thread.currentThread().getName() + str);
    }

    public static void main(String[] args) {
        int count = 5;
        
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(count);

        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(count, new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                TestCyclicBarrier.print(" 所有线程到达栅栏处,可以在此做一些处理...");
            }
        });
        for (int i = 0; i < count; i++)
            es.execute(new CyclicBarrierTaskTest(barrier, (i + 1) * 1000));
    }

}

[11:07:00]pool-1-thread-2 正在running...
[11:07:00]pool-1-thread-1 正在running...
[11:07:00]pool-1-thread-5 正在running...
[11:07:00]pool-1-thread-3 正在running...
[11:07:00]pool-1-thread-4 正在running...
[11:07:01]pool-1-thread-1 到达栅栏处，等待其它线程到达
[11:07:02]pool-1-thread-2 到达栅栏处，等待其它线程到达
[11:07:03]pool-1-thread-3 到达栅栏处，等待其它线程到达
[11:07:04]pool-1-thread-4 到达栅栏处，等待其它线程到达
[11:07:05]pool-1-thread-5 到达栅栏处，等待其它线程到达
[11:07:05]pool-1-thread-5 所有线程到达栅栏处,可以在此做一些处理...
[11:07:05]pool-1-thread-1 所有线程到达栅栏处，继续执行各自线程任务...
[11:07:05]pool-1-thread-2 所有线程到达栅栏处，继续执行各自线程任务...
[11:07:05]pool-1-thread-5 所有线程到达栅栏处，继续执行各自线程任务...
[11:07:05]pool-1-thread-3 所有线程到达栅栏处，继续执行各自线程任务...
[11:07:05]pool-1-thread-4 所有线程到达栅栏处，继续执行各自线程任务...

阻塞队列

阻塞队列提供了可阻塞的入队和出对操作，如果队列满了，入队操作将阻塞直到有空间可用，如果队列空了，出队操作将阻塞直到有元素可用；

队列可以为有界和无界队列，无界队列不会满，因此入队操作将不会阻塞；

下面将使用阻塞队列LinkedBlockingQueue举个生产者-消费者例子，生产者每隔1秒生产1个产品，然后有6个消费者在消费产品，可以发现，每隔1秒，只有一个消费者能够获取到产品消费，其它线程只能等待...

如下代码：

package concurrency;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

//生产者
public class Producer implements Runnable {
    private final BlockingQueue<String> fileQueue;

    public Producer(BlockingQueue<String> queue) {
        this.fileQueue = queue;

    }

    public void run() {
        try {
            while (true) {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
                String produce = this.produce();
                System.out.println(Thread.currentThread() + "生产：" + produce);
                fileQueue.put(produce);
            }

        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public String produce() {
        SimpleDateFormat dfdate = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
        return dfdate.format(new Date());
    }

    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(10);

        for (int i = 0; i < 1; i++) {
            new Thread(new Producer(queue)).start();
        }
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            new Thread(new Consumer(queue)).start();
        }
    }
}

// 消费者
class Consumer implements Runnable {
    private final BlockingQueue<String> queue;

    public Consumer(BlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    public void run() {
        try {
            while (true) {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread() + "prepare 消费");
                System.out.println(Thread.currentThread() + "starting："
                        + queue.take());
                System.out.println(Thread.currentThread() + "end 消费");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

Thread[Thread-1,5,main]prepare 消费
Thread[Thread-3,5,main]prepare 消费
Thread[Thread-4,5,main]prepare 消费
Thread[Thread-2,5,main]prepare 消费
Thread[Thread-6,5,main]prepare 消费
Thread[Thread-5,5,main]prepare 消费
Thread[Thread-0,5,main]生产：11:36:36
Thread[Thread-1,5,main]starting：11:36:36
Thread[Thread-1,5,main]end 消费
Thread[Thread-1,5,main]prepare 消费
Thread[Thread-0,5,main]生产：11:36:37
Thread[Thread-4,5,main]starting：11:36:37
Thread[Thread-4,5,main]end 消费
Thread[Thread-4,5,main]prepare 消费
Thread[Thread-0,5,main]生产：11:36:38
Thread[Thread-3,5,main]starting：11:36:38
Thread[Thread-3,5,main]end 消费
...

 参考资料:java并发编程实战