Java中的并发工具类详细解析

前言 CountDownLatch、 CyclicBarrier 和 Semaphore 工具类提供了一种并发流程控制的手段 Exchanger 工具类则提供了

前言

CountDownLatch、 CyclicBarrier 和 Semaphore 工具类提供了一种并发流程控制的手段

Exchanger 工具类则提供了在线程间交换数据的一种手段。

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。

public class CountDownLatchTest {
    staticCountDownLatch c = new CountDownLatch(2);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(1);
                // N-1;N为0时,退出await方法
                c.countDown();
                System.out.println(2);
                c.countDown();
            }
        }).start();
        // 带指定时间的 await 方法——await（long time，TimeUnit unit）
        c.await();
        System.out.println("3");
    }
}

CountDownLatch 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 就会减 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。

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 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。

public class CyclicBarrierTest {
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 到达屏障
                    c.await();
                } catch (Exception e) {
                }
                System.out.println(1);
            }
        }).start();
        try {
            // 到达屏障
            c.await();
        } catch (Exception e) {
        }
        System.out.println(2); // 1 2 或 2 1 到达顺序不唯一
    }
}

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。

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
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); // 3 1 2
/*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*/
    }
    static class A implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(3);
        }
    }
}

CyclicBarrier 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

/**
 * 银行流水处理服务类
 *
 * @authorftf
 */
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);
    }
    public static void main(String[] args) {
        BankWaterService bankWaterCount = new BankWaterService();
        bankWaterCount.count();
    }
}

CyclicBarrier 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。

public class CyclicBarrierTest3 {
    staticCyclicBarrier 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。

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

public class SemaphoreTest {
    private static final int THREAD_COUNT = 30;
    private static ExecutorService threadPool =
            Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
    private static Semaphore s = new Semaphore(10);
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        s.acquire();
                        System.out.println("save data");
                        s.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
            });
        }
        threadPool.shutdown();
    }
}

虽然有 30 个线程在执行，但是只允许 10 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（10）表示允许 10 个线程获取许可证，也就是最大并发数是 10。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。

Semaphore 还提供一些其他方法，具体如下。

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。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。

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

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
                    exgr.exchange(A);
                } 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("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) {
                }
            }
        });
        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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