Java并发总结-并发工具类

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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，代码如下：

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public 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");
	}
}
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parser1 finish
parser2 finish
all parser finish

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。wait(0)表示永远等待下去，如下：

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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，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，代码如下：

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public class CountDownLatchTest {
	//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。
	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);
				//调用CountDownLatch的countDown方法时，N就会减1，
				c.countDown();
				System.out.println(2);
				c.countDown();
			}
		}).start();
		//CountDownLatch的await方法会阻塞当前线程，直到N变成零。
		c.await();
		System.out.println("3");
	}
}
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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。

注意：

  • 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其对象内部计数器的值。
  • 一个线程调用countDown方法happen-before，另一个线程调用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）。

作用：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简介

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。示例如下：

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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 (Exception e) {
				}
				System.out.println(1);
			}
		}).start();
		try {
			c.await();
		} catch (Exception e) {
		}
		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，所以会产生两种输出：

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//第一种可能输出如下：
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//第二种可能输出如下：
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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 barrier-Action)，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，代码如下：

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public 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，所以代码执行输出如下：

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CyclicBarrier应用场景

CyclicBarrier可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：

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/**
 * 银行流水处理服务类
 */
public class BankWaterService implements Runnable {
	/**
	 * 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, this);
	/**
	 * 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<String, Integer>();

	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();
					}
				}
			});
		}
	}

	@Override
	public void run() {
		int result = 0;
		// 汇总每个sheet计算出的结果
		for (Entry<String, Integer> sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
			result += sheet.getValue();
		}
		// 将结果输出
		sheetBankWaterCount.put("result", result);
		System.out.println(result);//4
	}

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

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：

  • getNumberWaiting方法可以获得Cyclic-Barrier阻塞的线程数量。
  • isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断。

isBroken的使用示例如下：

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public class CyclicBarrierTest3 {
	static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException,
			BrokenBarrierException {
		Thread thread = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					c.await();
				} catch (Exception e) {
				}
			}
		});
		thread.start();
		thread.interrupt();
		try {
			c.await();
		} catch (Exception e) {
			System.out.println(c.isBroken());//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。

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：

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public class SemaphoreTest {
	private static final int THREAD_COUNT = 30;
	private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
	//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(10)表示允许10个线程获取许可证，也就是最大并发数是10
	private static Semaphore s = new Semaphore(10);

	public static void main(String[] args) {
		//虽然有30个线程在执行，但是只允许10个并发执行。
		for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
			threadPool.execute(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					try {
						//首先线程使用Semaphore的acquire()方法获取一个许可证
						s.acquire();//还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证
						System.out.println("save data");
						//使用完之后调用release()方法归还许可证
						s.release();
					} catch (InterruptedException e) {
						//TODO
					}
				}
			});
		}
		threadPool.shutdown();
	}
}

其他方法

Semaphore还提供一些其他方法：

  • intavailablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数。
  • intgetQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数。
  • booleanhasQueuedThreads()：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 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。
  • 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。

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。

示例如下：

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public 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 {
					String A = "银行流水A";// A录入银行流水数据
					String B = exgr.exchange(A);
					System.out.println("A接收到B录入的：" + B);
				} catch (InterruptedException e) {
				}
			}
		});
		threadPool.execute(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					String B = "银行流水B";// B录入银行流水数据
					String A = exgr.exchange(B);
					System.out.println("B接收到A录入的：" + A);
				} catch (InterruptedException e) {
				}
			}
		});
		threadPool.shutdown();
	}
}

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，longtimeout，TimeUnit unit)设置最大等待时长。

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