Control concurrent processes

1 What is the control concurrent processes ?

• Concurrency control process tools, our role is to help programmers to more easily allow cooperation between the threads
• Let mutual cooperation between the threads, to meet the business logic
• For example, let A thread waits for thread B is finished before policy enforcement cooperation

 Which tools to control concurrent processes have?

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2 CountDownLatch countdown latch

2.1 CountDownLatch class action

Tools concurrent processes control

• Reciprocal latch
• Example: Shopping fight groups; bus (amusement park roller coaster line up), people start over.
• Process: Before the end of the countdown, has been in a waiting state until the end of the countdown, this thread just continue to work.

• CountDownLatch (int count): only a constructor parameter count is required reciprocal value.
• await () : calls await () method of the thread is suspended, it will wait until the count is 0 before continuing execution.
• the countDown () : the count value by one, until is 0, waiting thread will be aroused.

2.2 two typical usage

• Two typical usage: First Multi and wait a
• CountDownLatch create an instance of the class at the time, we need to pass the countdown number . When the countdown reaches 0, before waiting threads will continue to run
• CountDownLatch can not roll back reset

First and more

• Use one: a thread waiting for multiple threads are finished, and then continue their work.

/**
 * 工厂中，质检，5个工人检查，所有人都认为通过，才通过
 */
public class CountDownLatchDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int no = i + 1;
            Runnable runnable = () -> {
                try {
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                    System.out.println("No." + no + "完成了检查。");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    //谁减一谁调用countDown
                    latch.countDown();
                }
            };
            service.submit(runnable);
        }
        System.out.println("等待5个人检查完.....");
        //谁等待谁调用await
        latch.await();
        System.out.println("所有人都完成了工作，进入下一个环节。");
    }
}

Wait a

• 用法二：多个线程等待某一个线程的信号，同时开始执行。

/**
 * 模拟100米跑步，5名选手都准备好了，只等裁判员一声令下，所有人同时开始跑步。
 */
public class CountDownLatchDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int no = i + 1;
            Runnable runnable = () -> {
                System.out.println("No." + no + "准备完毕，等待发令枪");
                try {
                    begin.await();
                    System.out.println("No." + no + "开始跑步了");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            };
            service.submit(runnable);
        }
        //裁判员检查发令枪...
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("发令枪响，比赛开始！");
        //裁判发枪
        begin.countDown();
    }
}

 综合用法一和用法二：运动员跑步

/**
 * 模拟100米跑步，5名选手都准备好了，只等裁判员一声令下，所有人同时开始跑步。当所有人都到终点后，比赛结束。
 */
public class CountDownLatchDemo1And2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch end = new CountDownLatch(5);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int no = i + 1;
            Runnable runnable = () -> {
                System.out.println("No." + no + "准备完毕，等待发令枪");
                try {
                    begin.await();
                    System.out.println("No." + no + "开始跑步了");
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                    System.out.println("No." + no + "跑到终点了");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    end.countDown();
                }
            };
            service.submit(runnable);
        }
        //裁判员检查发令枪...
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("发令枪响，比赛开始！");
        //发枪
        begin.countDown();
        //等待所有运动员到达终点
        end.await();
        System.out.println("所有人到达终点，比赛结束");
        service.shutdown();
    }
}

2.3 注意点

• 扩展用法：多个线程等多个线程完成执行后，再同时执行
• CountDownLatch是不能够重用的，如果需要重新计数，可以考虑使用CyclicBarrier或者创建新的CountDownLatch实例。

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3 Semaphore信号量

• Semaphore可以用来限制或管理数量有限的资源的使用情况。
• 污染不能太多，污染许可证只能发3张
• 信号量的作用是维护一个 “许可证” 的计数，线程可以 “获取” 许可证，那信号量剩余的许可证就减一，线程也可以 “释放” 一个许可证，那信号量剩余的许可证就加一，当信号量所拥有的许可证数量为0，那么下一个还想要获取许可证的线程，就需要等待，直到有另外的线程释放了许可证

 

没有使用信号量的时候，慢服务会拖垮整个程序的 

3.1 使用信号量 

信号量使用流程

• 初始化Semaphore并指定许可证的数量
• 在需要被现在的代码前加acquire()或者acquireUninterruptibly()方法
• 在任务执行结束后，调用release()来释放许可证

 

 

3.2 信号量主要方法介绍

• new Semaphore(int permits, boolean fair)：这里可以设置是否要使用公平策略，如果传入true，那么Semaphore会把之前等待的线程放到FIFO的队列里，以便于当有了新的许可证，可以分发给之前等了最长时间的线程。
• acquire()：能够响应中断
• acquireUninterruptibly()：不能够响应中断
• tryAcquire()：看看现在有没有空闲的许可证，如果有的话就获取，如果没有的话也没关系，我不必陷入阻塞，我可以去做别的事，过一会再来查看许可证的空闲情况。
• ◆tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)：和tryAcquire()一样，但是多了一个超时时间，比如 “在3秒内获取不到许可证，我就去做别的事”
• release()：归还许可证

3.3 信号量代码演示

/**
 * 演示Semaphore用法
 */
public class SemaphoreDemo {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(5, true);
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(50);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            service.submit(new Task());
        }
        service.shutdown();
    }

    static class Task implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                //！！！获取和释放需要一致
                semaphore.acquire(3);//semaphore.release(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到了许可证");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了许可证");
            semaphore.release(3);
        }
    }
}

3.4 信号量特殊用法

一次性获取或释放多个许可证

• 比如TaskA会调用很消耗资源的method1()，而TaskB调用的是不太消耗资源的method2()，假设我们一共有5个许可证。那么我们就可以要求TaskA获取5个许可证才能执行，而 TaskB只需要获取到一个许可证就能执行，这样就避免了A和B同时运行的情况，我们可以根据自己的需求合理分配资源。

3.5 注意点

1. 获取和释放的许可证数量必须一致，否则比如每次都获取2个但是只释放1个甚至不释放，随着时间的推移，到最后许可证数量不够用，会导致程序卡死。（虽然信号量类并不对是否和获取的数量做规定，但是这是我们的编程规范，否则容易出错）。
2. 注意在初始化Semaphore的时候设置公平性，一般设置为true会更合理。
3. 并不是必须由获取许可证的线程释放那个许可证，事实上，获取和释放许可证对线程并无要求，也许是A获取了，然后由B释放，只要逻辑合理即可。
4. 信号量的作用，除了控制临界区最多同时有N个线程访问外，另一个作用是可以实现 “条件等待” ，例如线程1需要在线程2完成准备工作后才能开始工作，那么就线程1 acquire()，而线程2（先执行）完成任务后release()，这样的话，相当于是轻量级的CountDownLatch。

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4 Condition接口（又称条件对象）

4.1 作用

• 当线程1需要等待某个条件的时候，它就去执行condition.await()方法，一旦执行了await()方法，线程就会进入阻塞状态。
• 然后通常会有另外—个线程，假设是线程2，去执行对应的条件，直到这个条件达成的时候，线程2就会去执行condition.signal()方法，这时JVM就会从被阻塞的线程里找，找到那些等待该condition的线程，当线程1收到可执行信号的时候，它的线程状态就会变成Runnable可执行状态。

signalAll()和signal()区别

• signalAll()会唤起所有的正在等待的线程
• 但是signal()是公平的，只会唤起那个等待时间最长的线程

4.2 代码演示

普通示例

/**
 * 演示Condition的基本用法
 */
public class ConditionDemo1 {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();
    void method1() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try{
            System.out.println("条件不满足，开始await");
            condition.await();
            System.out.println("条件满足了，开始执行后续的任务");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    void method2() {
        lock.lock();
        try{
            System.out.println("准备工作完成，唤醒其他的线程");
            condition.signal();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ConditionDemo1 conditionDemo1 = new ConditionDemo1();
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                conditionDemo1.method2();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        conditionDemo1.method1();
    }
}

用Condition实现生产者消费者模式 

• 用wait/notify来实现生产者消费者模式：https://blog.csdn.net/qq_40794973/article/details/103869882#t1

/**
 * 演示用Condition实现生产者消费者模式
 */
public class ConditionDemo2 {
    private final int QUEUE_SIZE = 10;
    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>(QUEUE_SIZE);
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    //没有满（生产者用）
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    //没有空（消费者）
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    public static void main(String[] args) {
        ConditionDemo2 conditionDemo2 = new ConditionDemo2();
        Producer producer = conditionDemo2.new Producer();
        Consumer consumer = conditionDemo2.new Consumer();
        new Thread(producer).start();
        new Thread(consumer).start();
    }
    //消费者
    class Consumer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            consume();
        }
        private void consume() {
            while (true) {
                lock.lock();
                try {
                    while (queue.size() == 0) {
                        System.out.println("队列空，等待数据");
                        try {
                            notEmpty.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    queue.poll();
                    //唤醒生产者
                    notFull.signalAll();
                    System.out.println("从队列里取走了一个数据，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
    //生产者
    class Producer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }
        private void produce() {
            while (true) {
                lock.lock();
                try {
                    while (queue.size() == QUEUE_SIZE) {
                        System.out.println("队列满，等待有空余");
                        try {
                            notFull.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    queue.offer(1);
                    //唤醒消费者
                    notEmpty.signalAll();
                    System.out.println("向队列插入了一个元素，队列剩余空间" + (QUEUE_SIZE - queue.size()));
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}

4.3 Condition注意点

• 实际上，如果说Lock用来代替synchronized，那么Condition就是用来代替相对应的Object.wait/notify的，所以在用法和性质上，几乎都一样。
• await方法会自动释放持有的Lock锁，和Object.wait一样，不需要自己手动先释放锁。
• 调用await的时候，必须持有锁，否则会抛出异常，和Object.wait一样。

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5 CyclicBarrier循环栅栏

5.1 使用CyclicBarrier

• CyclicBarrier循环栅栏和CountDownLatch很类似，都能阻塞一组线程
• 当有大量线程相互配合，分别计算不同任务，并且需要最后统一汇总的时候，我们可以使用CyclicBarrier。CyclicBarrier可以构造一个集结点，当某一个线程执行完毕，它就会到集结点等待，直到所有线程都到了集结点，那么该栅栏就被撤销，所有线程再统一出发，继续执行剩下的任务。
• 生活中的例子：“咱们3个人明天中午在学校碰面，都到齐后，一起讨论下学期的计划。”

/**
 * 演示CyclicBarrier（集体活动，坐车场景，坐满就发车）
 */
public class CyclicBarrierDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //5个一发车
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("车满，发车！");
            }
        });
        //10：发两趟车
        //5：发一趟车
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Task(i, cyclicBarrier)).start();
        }
    }
    static class Task implements Runnable{
        private int id;
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;

        public Task(int id, CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.id = id;
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程" + id + "现在前往集合地点");
            try {
                Thread.sleep((long) (Math.random()*10000));
                System.out.println("线程"+id+"到了集合地点，开始等待其他人到达");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("线程"+id+"出发了");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

5.2 CyclicBarrier和CountDownlatch的区别

• 作用不同：CyclicBarrier要等固定数量的线程都到达了栅栏位置才能继续执行，而CountDownLatch只需等待数字到0，也就是说，CountDownLatch用于事件，但是CyclicBarrier是用于线程的。
• 可重用性不同：CountDownLatch在倒数到0并触发门闩打开后，就不能再次使用了，除非新建新的实例。而 CyclicBarrier可以重复使用。