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Java中的并发工具类详细解析

作者:Java都不学

这篇文章主要介绍了Java中的并发工具类详细解析,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,需要的朋友可以参考下

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。

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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