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Java并发编程的艺术笔记
- 并发编程的挑战
- Java并发机制的底层实现原理
- Java内存模型
- Java并发编程基础
- Java中的锁的使用和实现介绍
- Java并发容器和框架
- Java中的12个原子操作类介绍
- Java中的并发工具类
- Java中的线程池
- Executor框架
简介
在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。
- 提供并发流程控制的工具类
CountDownLatchCyclicBarrierSemaphore
- 提供了在线程间交换数据的工具类
Exchanger
本文会配合一些应用场景来介绍如何使用这些工具类。
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。
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，如下：
public static class JoinCountDownLatchTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("parser1 finish");
}
});
Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("parser2 finish");
}
});
parser1.start();
parser2.start();
parser1.join();
parser2.join();
System.out.println("all parser finish");
}
}输出结果：
代码语言：javascript复制parser1 finish
parser2 finish
all parser finish关于join的介绍
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，示例如下：
public static class CountDownLatchTest {
static CountDownLatch c = new CountDownLatch(3);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(1 " -- " System.currentTimeMillis());
c.countDown();
System.out.println(2 " -- " System.currentTimeMillis());
c.countDown();
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(4 " -- " System.currentTimeMillis());
c.countDown();
Thread.sleep(1000);
System.out.println(5 " -- " System.currentTimeMillis());
c.countDown();
System.out.println(6 " -- " System.currentTimeMillis());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
c.await();
System.out.println("3" " -- " System.currentTimeMillis());
}
}输出结果
代码语言：javascript复制1 -- 1558966154351
2 -- 1558966154351
4 -- 1558966155352
3 -- 1558966155352
5 -- 1558966156353
6 -- 1558966156353CountDownLatch 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 -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。
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。
同步屏障CyclicBarrier
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。
代码示例：
代码语言：javascript复制public static class CyclicBarrierTest {
private static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) {
System.out.println(" 1 -- " System.currentTimeMillis());
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(" 2 -- " System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(1000);
System.out.println(" 3 -- " System.currentTimeMillis());
c.await();
System.out.println(" 4 -- " System.currentTimeMillis());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
try {
System.out.println(" 5 -- " System.currentTimeMillis());
c.await();
System.out.println(" 6 -- " System.currentTimeMillis());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(" 7 -- " System.currentTimeMillis());
}
}输出结果：
代码语言：javascript复制 1 -- 1558969130471
5 -- 1558969130471
2 -- 1558969130471
3 -- 1558969131471
4 -- 1558969131471
6 -- 1558969131471
7 -- 1558969131471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。
示例如下：
代码语言：javascript复制public static class CyclicBarrierTest2 {
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(1);
}
}).start();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
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
2CyclicBarrier的应用场景
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 CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) 中的 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：
public static class BankWaterService {
/**
* 创建4个屏障，处理完之后执行当前类的run方法
*/
private CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(4, new MyRunnable());
/**
* 假设只有4个sheet，所以只启动4个线程
*/
private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
/**
* 保存每个sheet计算出的银流结果
*/
private ConcurrentHashMap<String, Integer> sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap<>();
public static void main(String[] args) {
BankWaterService bankWaterCount = new BankWaterService();
bankWaterCount.count();
}
private void count() {
for (int i = 0; i < 4; i ) {
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 计算当前sheet的银流数据，计算代码省略
sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
// 银流计算完成，插入一个屏障
try {
c.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
class MyRunnable implements Runnable {
@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 = " result);
}
}
}使用线程池创建4个线程，分别计算每个sheet里的数据，每个sheet计算结果是1，再由BankWaterService 线程汇总4个sheet计算出的结果输出结果：
result = 4CyclicBarrier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。
上面的银行流水例子执行完之后会返回true。
以下是 isBroken的使用代码示例：
public static class CyclicBarrierTest3 {
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
thread.start();
thread.interrupt();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
System.out.println(c.isBroken());
}
}
}输出结果：
代码语言：javascript复制true控制并发线程数的Semaphore
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。
多年以来，我都觉得从字面上很难理解
Semaphore所表达的含义，只能把它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。
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：
public static class SemaphoreTest {
private static final int THREAD_COUNT = 20;
private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
private static Semaphore s = new Semaphore(5);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i ) {
threadPool.execute(new MyRunnable(i));
}
threadPool.shutdown();
}
private static class MyRunnable implements Runnable {
private int index;
MyRunnable(int index) {
this.index = index;
}
@Override
public void run() {
try {
s.acquire();
System.out.println("save data -- " index);
s.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}输出结果：
代码语言：javascript复制save data -- 0
save data -- 4
save data -- 3
save data -- 1
save data -- 2
save data -- 6
save data -- 5
save data -- 7
save data -- 9
save data -- 10
save data -- 8
save data -- 11
save data -- 12
save data -- 13
save data -- 14
save data -- 15
save data -- 16
save data -- 17
save data -- 18
save data -- 19在代码中，虽然有20个线程在执行，但是只允许5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(5)表示允许5个线程获取许可证，也就是最大并发数是5。
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
int availablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数。int getQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数。boolean hasQueuedThreads()：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<Thread> getQueuedThreads()：返回所有等待获取许可证的线程集合，是个protected方法。
线程间交换数据的Exchanger
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。
下面来看一下Exchanger的应用场景。
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。
示例代码如下：
代码语言：javascript复制public static class ExchangerTest {
private static final Exchanger<String> exgr = new Exchanger<String>();
private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
public static void main(String[] args) {
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
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(new Runnable() {
@Override
public void run() {
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();
}
}输出结果：
代码语言：javascript复制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, long timeout, TimeUnit unit)设置最大等待时长。
小结
本文配合一些应用场景介绍JDK中提供的几个并发工具类，大家记住这个工具类的用途，一旦有对应的业务场景，不妨试试这些工具类。
- 等待多线程完成的CountDownLatch
- 同步屏障CyclicBarrier
- 控制并发线程数的Semaphore
- 线程间交换数据的Exchanger
