Java多线程—JAVA中并发的工具类CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、Exchanger
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 {
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);
c.countDown();
System.out.println(2);
c.countDown();
}
}).start();
c.await();
System.out.println("3");
}
}运行结果：
1
2
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。
- 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。
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。示例代码：
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);
}
}
运行结果：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
2
1
1
2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，如代码：
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，所以代码执行后的输出如下：
3
1
2CyclicBarrier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。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：
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 (Map.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();
}
}使用线程池创建4个线程，分别计算每个sheet里的数据，每个sheet计算结果是1，再由BankWaterService线程汇总4个sheet计算出的结果，输出结果如下：
4CyclicBarrier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。
public class CyclicBarrierTest3 {
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) throws Exception,
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());
}
}
}运行结果：
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。
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：
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);
// static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(30);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
// System.out.println("await -----");
// c.await();
s.acquire();
System.out.println("信号量中当前可用的许可证数"+ s.availablePermits()
+ " 等待获取许可证的线程数" + s.getQueueLength()
+ " 是否有线程正在等待获取许可证" + s.hasQueuedThreads());
System.out.println(s.availablePermits());
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
System.out.println("save data" );
s.release();
} catch (Exception e) {
}
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
}运行结果：
信号量中当前可用的许可证数5 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
4
信号量中当前可用的许可证数5 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
3
信号量中当前可用的许可证数2 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
1
信号量中当前可用的许可证数4 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
1
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
0
信号量中当前可用的许可证数5 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
0
信号量中当前可用的许可证数5 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
0
信号量中当前可用的许可证数5 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
0
信号量中当前可用的许可证数1 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
0
信号量中当前可用的许可证数3 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
0
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信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数11 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数12 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数13 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数14 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数15 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数15 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数18 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数17 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数1 等待获取许可证的线程数19 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数10 是否有线程正在等待获取许可证true
0
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信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数9 是否有线程正在等待获取许可证true
0
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信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数8 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数1 等待获取许可证的线程数7 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数6 是否有线程正在等待获取许可证true
0
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信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数4 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数3 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数5 是否有线程正在等待获取许可证true
0
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save data
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数2 是否有线程正在等待获取许可证true
0
save data
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数1 是否有线程正在等待获取许可证true
0
信号量中当前可用的许可证数0 等待获取许可证的线程数0 是否有线程正在等待获取许可证false
0
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save data
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save data
save data
save data
save data
save data
save dataSemaphore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。
下面来看一下Exchanger的应用场景。
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，代码如下：
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
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);
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
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(4000);
String A = exgr.exchange("c");
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();
}
}运行结果：
A和B数据是否一致：false，A录入的是：银行流水A，B录入是：银行流水B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。