JUC中几个常见的并发工具类详解

在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。

其中CountDownLatch,CyclicBarrier和Semaphore工具类提供了一种并发控制的手段。

而Exchanger工具类则提供了在线程间进行交换数据的一种手段。

1.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。

定义抽象难理解，直接上测试代码！

import java.util.*;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Main1 {
	
	//主函数，作为程序测试代码的入口
	public static void main(String args[]) throws Exception
	{
		CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);	//使用CountDownLatch，注意构造方法的传入参数
		
		//创建两个测试线程，并启动线程
		Thread thread1 = new Thread(new Test(1,countDownLatch));
		Thread thread2 = new Thread(new Test(2,countDownLatch));
		thread1.start();
		thread2.start();
			
		countDownLatch.await();		//CountDownLatch的实现核心，产生关联于计数器的阻塞方式！
		System.out.println("主线程main中打印信息永远在所有子线程完成后！");
	}

}

//编写线程类Test，实现Runnable接口，并实现其线程方法run
class Test implements Runnable 
{
	private int number = 0;
	private CountDownLatch countDownLatch = null;
	
	//基于构造方法，进行线程类成员变量的初始化设置
	public Test(int i,CountDownLatch countDownLatch)
	{
		this.number = i;
		this.countDownLatch = countDownLatch;
	}
	
	//实现Runnable下的接口方法，达到线程的目的
	public void run()
	{
		System.out.println("子线程的打印！ " + this.number);
		this.countDownLatch.countDown();
	}
}

程序测试结果，可能有两种情况，分别为：

或者

此时，可以看出，无论两个子线程的执行顺序如何，我们永远保证了main中打印语句在两个线程执行后执行！

具体分析：

CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器，而int具体数值则代表要等待多少个线程点的完成！

例如，程序中初始设置为2，则表示等待的数量为2.

然后就是，countDownLatch的countDown()的方法，每次使用该方法，所维护的计数器数值就减一。

例如，每个子线程的测试逻辑中，都有countdown方法的调用，每次调用，计数器减一。

最后就是，countDownLatch的await()方法，await阻塞于计数器大于一时，并在计数器为0时，结束阻塞！

例如，程序中主线程main中的await方法，只有计数器为0时，才会往下执行！

细节思考：

1.所谓的计数器必须大于或者等于0，只不过当等于0的时候，await方法就会返回，不在阻塞当前线程。

2.countDown()方法，可以用在任何地方，所以，计数器的实际意义，其实是管理countDown()方法的调用次数。通俗来说就是，countDown()方法可以用在多线程中，也可以代表一个线程中的多个执行步骤。

2.同步屏障CyclicBarrier

让一组线程到达一个屏障（也就是所谓的同步点）时被阻塞，知道最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被该屏障所阻塞的线程才能够继续执行。

测试代码如下：

import java.util.*;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main2 
{
	//程序测试代码的入口
	public static void main(String args[])
	{
		CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);	//注意构造函数传入的整形值
		
		Thread thread1 = new Thread(new Test2(1, cyclicBarrier));
		Thread thread2 = new Thread(new Test2(2, cyclicBarrier));
		thread1.start();
		thread2.start();
		
		System.out.println("mian到达同步点之前");
		try {
			cyclicBarrier.await();
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		}
		System.out.println("都到达同步点后继续执行main");
	}

}

//线程类，实现runnable接口
class Test2 implements Runnable
{
	private int number = 0;
	CyclicBarrier cyclicBarrier = null;
	
	//构造函数，初始化该类的成员变量
	public Test2(int i,CyclicBarrier cyclicBarrier)
	{
		this.number = i;
		this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
	}
	
	public void run()
	{
		System.out.println(this.number + "到达同步点之前");
		try {
			cyclicBarrier.await();
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		}
		System.out.println("都到达同步点后继续执行" + this.number);
	}
}

程序运行结果如下;

需要知道的是，多线程的具体执行顺序是不可控制的，但是程序结果中我们可以看到，明显的同步点隔离的效果!三个线程都达到同步点，也就是所谓的cyclicbarrier的await方法后，才会继续执行各自同步点时候的代码！

具体说明：

首先，构造函数，同样传入一个int参数，作为计数器，该计数器代表，必须等到N个同步点都完成await的方法调用后，继续执行各个线程同步点之后的代码逻辑！

例子中涉及到的await()方法就是所谓的同步点，必须等到完成计数器所要求的的数量同步点之后，才会解除阻塞！

这里需要注意的是，该工具类还设有一个高级的构造函数，可以指定达到指定数量的同步点后，也就是解除屏障后，优先执行那个线程！public Cyclicbarrier(int parties,Runnable barrierAction).

思考：CountDownLatch和CyclicBarrier的区别：

1.最主要体现在对于计数器的处理上，CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法进行重置。所以CyclicBarrier可以处理相对更加复杂的场景。

3.控制并发线程数的Semaphore（信号量）

semaphore是用来控制同时访问特定资源的线程数量。

借用方腾飞前辈的《java并发编程的艺术》一书中作者的叙述：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xx马路要限制车流量，只允许同时有一百辆车在这条马路上行驶，其他的必须要在路口等待，所以前面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，不能进入xx马路，但是假如前面一百辆车中有五辆车已经离开了xx马路，那么后面就允许有五辆车再进入马路，这个例子中所说的车就是线程，驶入马路就表示线程正在执行，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。

具体的理解，还可以参考有关计算机操作系统基础中关于信号量的描述。

import java.util.*;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreTest {
	
	private static final int THREAD_COUNT = 30;
	private static Semaphore semaphore = new Semaphore(10); 
	
	private static ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
	
	public static void main(String args[])
	{
		for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
		{
			executor.execute(new Test3(i, semaphore));
		}
		
		executor.shutdown();
	}
}

//封装线程类，实现runnable接口
class Test3 implements Runnable
{
	private int number = 0;
	private Semaphore semaphore = null;
	
	public Test3(int number,Semaphore semaphore)
	{
		this.number = number;
		this.semaphore = semaphore;
	}
	
	public void run()
	{
		try {
			semaphore.acquire();
			Thread.sleep(5000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("当前并发运行编号为： "+this.number);
		semaphore.release();
	}
}

在代码中，虽然创建30个线程在执行，线程池的容量大小也是30，但是其并发度只有10.

Semaphore的构造方法接收一个整形int的数值，表示可用的许可证数量。new Semaphore(10)表示允许10个线程获取许可证，也就是程序的最大并发数是10，semaphore的用法很简单，首先线程使用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！

4.线程间交换数据的Exchanger

Exchanger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。他提供一个同步点，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后，这两个线程就可以交换数据。

import java.util.*;
import java.util.concurrent.Exchanger;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ExchangerTest {
	
	private static final Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<String>();
	private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
	
	public static void main(String args[])
	{
		Thread thread1 = new Thread(new Test4("A", exchanger));
		Thread thread2 = new Thread(new Test4("B", exchanger));
		
		executor.execute(thread1);
		executor.execute(thread2);
		
		executor.shutdown();
	}

}

//封装线程测试类，实现接口方法
class Test4 implements Runnable
{
	private String string = null;
	private String strcopy = null;
	private Exchanger<String> exchanger = null;
	
	public Test4(String string,Exchanger<String> exchanger)
	{
		this.string = string;
		this.exchanger = exchanger;
	}
	
	//实现接口方法
	public void run()
	{
		try {
			this.strcopy = exchanger.exchange(string);
			System.out.println("当前线程发送的字符串：" + string + "，接收的字符串:" + this.strcopy);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

程序的执行结果显示如下：

如果两个线程中有一个线程没有执行exchange()方法，那么另一个线程会一直等待下去，如果要防止特殊情况发生，避免某个线程持续等待，可以设置等待的最大时长，exchange(String x,long timeout,TimeUtil util);

exchange()方法的简单理解就是，等待两个线程都到达同步点，然后使用该方法，把数据传给另一个线程，并返回从另一个线程中所传送过来的数据。