Java并发的同步辅助类

程序员文章站 2024-03-20 09:11:28

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位于java.util.concurrent的三个同步辅助类
- CountDownLatch
- CyclicBarrier
- Semaphore

CountDownLatch

直译过来就是倒计数(CountDown)门闩(Latch)。倒计数不用说，门闩的意思顾名思义就是阻止前进。在这里就是指 CountDownLatch.await() 方法在倒计数为0之前会阻塞当前线程。

实例化需要指定一个数量：
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
某个线程执行latch.await()并阻塞。
其他线程执行latch.countdown(),每执行一次数量 - 1，直到数量为0，执行了await的线程才会被唤醒继续执行。

CountDownLatch 的作用和 Thread.join() 方法类似，可用于一组线程和另外一组线程的协作。例如，主线程在做一项工作之前需要一系列的准备工作，只有这些准备工作都完成，主线程才能继续它的工作。这些准备工作彼此独立，所以可以并发执行以提高速度。在这个场景下就可以使用 CountDownLatch 协调线程之间的调度了。在直接创建线程的年代（Java 5.0 之前），我们可以使用 Thread.join()。在 JUC 出现后，因为线程池中的线程不能直接被引用，所以就必须使用 CountDownLatch 了。

static void test() throws InterruptedException {
    CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
    for (int i = 0; i < 3; ++i) 
        //开启其他线程
        new Thread(new Worker(latch), "" + i).start();
        System.out.println("主线程调用await()方法");
        latch.await();
        // 所有线程执行完毕主线程才继续执行
        System.out.println("主线程继续执行"); 
    }

//内部工作类
static class Worker implements Runnable {
    private final CountDownLatch latch;
    Worker(CountDownLatch latch) {
    this.latch = latch;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            //让线程随机睡眠并调用countdown
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 5 * 1000));
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "调用countDown方法");
            latch.countDown();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }

输出：
主线程调用await()方法
线程1调用countDown方法
线程0调用countDown方法
线程2调用countDown方法
主线程继续执行

CyclicBarrier

CyclicBarrier 翻译过来叫循环栅栏、循环障碍什么的（还是有点别扭的。所以还是别翻译了，只可意会不可言传啊）。它主要的方法就是一个：await()。await() 方法没被调用一次，计数便会减少1，并阻塞住当前线程。当计数减至0时，阻塞(栅栏)解除，所有在此 CyclicBarrier 上面阻塞的线程开始运行。在这之后，如果再次调用 await() 方法，计数就又会变成 N-1，新一轮重新开始，这便是 Cyclic(循环) 的含义所在。

需要注意的是：
- CyclicBarrier 的使用并不难，但需要主要它所相关的异常。除了常见的异常，CyclicBarrier.await() 方法会抛出一个独有的 BrokenBarrierException。这个异常发生在当某个线程在等待本 CyclicBarrier 时被中断或超时或被重置时，其它同样在这个 CyclicBarrier 上等待的线程便会受到 BrokenBarrierException。意思就是说，同志们，别等了，有个小伙伴已经挂了，咱们如果继续等有可能会一直等下去，所有各回各家吧。
- CyclicBarrier.await() 方法带有返回值，用来表示当前线程是第几个到达这个 Barrier 的线程。

和CountDownLatch一样，实例化CyclicBarrier也需要指定一个数量N，而且CyclicBarrier 的构造函数还可以接受一个 Runnable，会在 CyclicBarrier 被释放时执行。
其他程序执行CyclicBarrier.await()方法，每执行一次 -1，并阻塞线程。
直到count为0时，执行第一步指定的runnable对象，并唤醒其他线程继续执行。
下一次调用await()方法时，count数量从头计算，即 N - 1。

static void test() {
    //实例化时指定一个runnable对象
    final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("barrier的Runnable");
        }
    });
    for (int i = 0; 3 > i; ++i)
        new Thread(new Worker(i, barrier)).start();
}

//内部工作类
static class Worker implements Runnable {
    private int myRow;
    private CyclicBarrier barrier;
    private Worker(int row, CyclicBarrier barrier) {
        this.myRow = row;
        this.barrier = barrier;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(myRow + " : before await()");
        try {
            //线程在此处阻塞，直到barrier的count为0才继续执行
            barrier.await();
            System.out.println(myRow + " : after await()");
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException ex) {
            return;
        }
    }
}

输出：
0 : before await()
1 : before await()
2 : before await()
barrier的Runnable
2 : after await()
0 : after await()
1 : after await()

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 在用法上的不同
1. CountDownLatch的count减为0时，继续调用countdown()不会重新计算，count数量依旧为0；
2. CountDownLatch 适用于一组线程和另一个主线程之间的工作协作，一个主线程等待一组工作线程的任务完毕才继续它的执行是使用 CountDownLatch 的主要场景；
3. CyclicBarrier 用于一组或几组线程，比如一组线程需要在一个时间点上达成一致，例如同时开始一个工作。
4. CyclicBarrier 的循环特性和构造函数所接受的 Runnable 参数也是 CountDownLatch 所不具备的。

Semaphore

Semaphore 直译是信号量，可能称它是许可量更容易理解。当然，因为在计算机科学中这个名字由来已久，所以不能乱改。它的功能比较好理解，就是通过构造函数设定一个数量的许可，然后通过 acquire 方法获得许可，release 方法释放许可。

看源码可知，信号量维护了一个许可集permit。

实例化此对象，并指定许可集大小，表示有多少个许可。
Semaphore semp = new Semaphore(1);
某个线程调用semp.acquire()获取许可，如果许可集大小为0则线程在此处阻塞，如果大于0，线程继续执行，拿到许可且permit - 1；
拿到许可的线程执行semp.release();释放许可且permit + 1。

public static void main(String[] args) {
    // 线程池
    ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
    // 只能1个线程同时访问
    final Semaphore semp = new Semaphore(1);
    // 模拟5个客户端访问
    for (int index = 0; 5 > index; index++) {
        final int Num = index;
        Runnable run = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    //获取许可
                    //获取到就继续执行
                    //获取不到阻塞
                    semp.acquire();
                    System.out.println("Accessing: " + Num);
                //访问完后释放许可，如果屏蔽下面的语句，
                //则在控制台只能打印1条记录，之后线程一直阻塞
                    semp.release();
                } catch (InterruptedException e) {}
            }
        };
        exec.execute(run);
    }
    // 退出线程池
    exec.shutdown();
}

Java并发的同步辅助类

CountDownLatch

CyclicBarrier

Semaphore