【多线程和并发】并发包的问题

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并发包(Concurrent包)中含有的类有哪些?

ConcurrentHashMap / CopyOnWriteArrayList
阻塞队列
同步辅助类
线程池相关的类
Lock接口
原子类

同步辅助类

1)CountDownLatch:闭锁

它就相当于一个计数器。用一个给定的数值初始化CountDownLatch,之后计数器就从这个值开始倒计数,知道计数值达到0。

CountDownLatch是通过"共享锁"实现的。在创建CountDownLatch时,会传递一个int类型参数,该参数是"锁计数器"的初始状态,表示该"共享锁"最多能被count个线程同时获取,这个值只能被设置一次,而且CountDownLatch没有提供任何机制去重新设置这个计数值。主线程必须在启动其他线程后立即调用await()方法。这样主线程的操作就会在这个方法上阻塞,直到其他线程完成各自的任务。当某线程调用该CountDownLatch对象的await()方法时,该线程会等待"共享锁"可用时,才能获取"共享锁"进而继续运行。而"共享锁"可用的条件,就是"锁计数器"的值为0!而"锁计数器"的初始值为count,每当一个线程调用该CountDownLatch对象的countDown()方法时,才将"锁计数器"-1;通过这种方式,必须有count个线程调用countDown()之后,"锁计数器"才为0,而前面提到的等待线程才能继续运行!

3个重要的函数:

//作用是让线程阻塞等待其他线程,直到CountDownLatch的计数值变为0,才继续执行之后的操作。
public void await() throws InterruptedException {};
//和await()类似,只不过等待⼀定的时间后count值还没变为0的话就会继续执⾏
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
{}
//这个函数用来将CountDownLatch的计数值-1,如果技术达到0,则释放所有等待的线程。
public void countDown() {};

图示:

它的应用场景:

一个任务,它需要等待其他的一些任务都执行完毕之后它才能继续执行。

比如:开5个多线程去下载,当5个线程都执行完了才算下载成功。

对于倒计数器,一种典型的场景就是火箭发射,在火箭发射前,为了保证万无一失,往往还需要进行各项设备、仪器的检测。只有等到所有的检查完毕后,引擎才能点火。那么在检测环节当然是多个检测项可以同时进行的。代码实现:

public class CountDownLatchDemo implements Runnable{

    static final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
    static final CountDownLatchDemo demo = new CountDownLatchDemo();

    @Override
    public void run() {
        //模拟检查任务
        try {
            Thread.sleep(new Random().nextInt(10) * 1000);
            System.out.println("check complete");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //计数减一
            //放在finally避免任务执行过程出现异常,导致countDown()不能被执行
            latch.countDown();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10;i++){
            exec.submit(demo);
        }
        //等待检查
        latch.await();
        //发射火箭
        System.out.println("Fire!!!");
        //关闭线程池
        exec.shutdown();
    }
}

上述代码中,我们先生成了一个CountDownLatch实例。计数数量为10,这表示需要有10个线程来完成任务,等待在CountDownLatch上的线程才能继续执行。latch.countDown();方法作用是通知CountDownLatch有一个线程已经准备完毕,倒计数器可以减一了。latch.await()方法要求主线程等待所有10个检查任务全部准备好才一起并行执行。

2)CyclicBarrier:循环栅栏

通过它可以实现让⼀组线程等待⾄某个状态之后再全部同时执⾏。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后,CyclicBarrier可以被重⽤。我们暂且把这个状态就叫做barrier,当调⽤await()⽅法之后,线程就处于barrier了。

CyclicBarrier提供2个构造器:

​​​​​​​public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {}

public CyclicBarrier(int parties) {}

参数parties指让多少个线程或者任务等待⾄barrier状态;参数barrierAction为当这些线程都达到 barrier状态时会执⾏的内容。

CyclicBarrier中最重要的⽅法就是await⽅法,它有2个重载版本:

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };

public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { };

第⼀个版本⽐较常⽤,⽤来挂起当前线程,直⾄所有线程都到达barrier状态再同时执⾏后续任务;

第⼆个版本是让这些线程等待⾄⼀定的时间,如果还有线程没有到达barrier状态就直接让到达barrier 的线程执⾏后续任务。

await()函数每调用一次,计数器便会减少1(CyclicBarrier设置了初始值)。并阻塞住当前线程。当计数减至0时,阻塞解除,所有在此CyclicBarrier上面阻塞的线程开始运行。

图示:

代码示例:

public class CyclicBarrierDemo {
    static class TaskThread extends Thread {
        CyclicBarrier barrier;

        public TaskThread(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(getName() + "到达栅栏 A");
                barrier.await();
                System.out.println(getName() + "冲破栅栏 A");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println(getName() + "到达栅栏 B");
                barrier.await();
                System.out.println(getName() + "冲破栅栏 B");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int threadNum = 5;
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(threadNum, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成最后的任务");
            }
        });
        for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
            new TaskThread(barrier).start();
        }
    }
}

从执行结果中可以看出,所有线程会等待全部线程到达栅栏之后才会继续执行,并且最后到达的线程会完成Runnable的任务。

CountDownLatch和CyclicBarrier的区别?

1)CountDownLatch的作用是允许1个线程等待其他线程执行完成之后,它才执行;而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待到某个公共屏障点,然后这一组线程再同时执行。

2)CountDownLatch的计数器的值无法被重置,这个初始值只能被设置一次,是不能够重复使用的;CyclicBarrier是可以重用的。

3)Semaphore:信号量

可以控制某个资源可被同时访问的个数,通过构造函数设定一定数量的许可,通过acquire()获取一个许可,如果没有就等待,而release()释放一个许可。
Semaphore类提供了2个构造器:

//参数permits表示许可数⽬,即同时可以允许多少线程进⾏访问
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

//这个多了⼀个参数fair表示是否是公平的,即等待时间越久的越先获取许可
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = (fair) ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

Semaphore类中⽐较重要的⼏个⽅法,⾸先是acquire()release()⽅法:

//获取⼀个许可
public void acquire() throws InterruptedException { }

//获取permits个许可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { }

//释放⼀个许可
public void release() { }

//释放permits个许可
public void release(int permits) { }

acquire()⽤来获取⼀个许可,若⽆许可能够获得,则会⼀直等待,直到获得许可。

release()⽤来释放许可。注意,在释放许可之前,必须先获获得许可。

图示:

代码实现:

public class SemaphoreTest {
    public static void main(String[] args) {
        //线程池
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        //只能5个线程同时访问
        final Semaphore semp = new Semaphore(5);
        //模拟20个客户端访问
        for (int index = 0; index < 20;index++){
            final int NO = index;
            Runnable run = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        semp.acquire();
                        System.out.println("Accessing: " + NO);
                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                        //访问完后,释放,如果屏蔽下面的语句,则在控制台只能打印5条记录,之后线程一直阻塞
                        semp.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            };
            exec.execute(run);
        }
        //退出线程池
        exec.shutdown();
    }
}

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