介绍
Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier工具类提供了一种并发流程控制的手段,Exchager工具类则提供了在线程间交换数据的一种手段。
Semaphore
无论是内部锁synchronized还是重入锁ReentrantLock,一次只允许一个线程访问一个资源,而信号量却可以指定多个线程同时访问某一个资源,功能更为强大。
Semaphore可以用于流量控制,特别是公共资源有限的应用场景,例如数据库连接等。
Semaphore提供的构造函数:
//permits为指定信号量的准入数,即同时能申请多少个许可(同时允许多少个线程访问某个资源)
public Semaphore(int permits)
//第二个参数指定是否公平
public Semaphore(int permits, boolean fair)
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主要逻辑方法:
//尝试获取一个准入的许可,无法获得则进行等待直到有线程释放许可或者当前线程被中断
public void acquire() throws InterruptedException
//和acquire类似,但不响应中断
public void acquireUninterruptibly()
//尝试获得一个许可,成功返回true,失败返回false,不进行等待,直接返回
public boolean tryAcquire()
//有响应时间限制的尝试获取许可
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException
//释放一个许可
public void release()
public void acquire(int permits)
public void acquireUninterruptibly(int permits)
public boolean tryAcquire(int permits)
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException
public void release(int permits)
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许可获取和释放的原理:
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
//获取剩余许可数量
int available = getState();
//当前剩余许可数量减去申请许可数量
int remaining = available - acquires;
//如果没有足够的许可则返回,还有许可数量则通过compareAndSetState以原子方式降低许可的计数,降低许可计数成功则返回,失败则重新尝试
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
//获取剩余许可数量
int current = getState();
//剩余许可数量加上此次需要释放的许可数量
int next = current + releases;
//超过了限定的最大许可数量
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
//compareAndSetState原子操作变更剩余许可数量,变更不成功则循环尝试,成功则返回
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
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我们可以看到,Semaphore将AQS的同步状态用于保存当前可用许可的数量。
Semaphore简单示例:
public class SemapDemo implements Runnable{
//最多有五个许可
final Semaphore semp = new Semaphore(5);
@Override
public void run() {
try {
//获取许可
semp.acquire();
//模拟业务操作
Thread.sleep(2000);
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":done!");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
//释放许可
semp.release();
}
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(20);
final SemapDemo demo = new SemapDemo();
for (int i = 0; i < 20; i++){
exec.submit(demo);
}
exec.shutdown();
}
}
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上面示例会发现每五个线程一组为单位进行输出,每次打印5个线程ID
CountDownLatch
简称为倒计数器,初始化一个计数,依次递减,计数为0的时候再执行。
CountDownLatch的构造函数:
//参数为计数器的计数个数
public CountDownLatch(int count)
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CountDownLatch简单示例:
public class CountDownLatchDemo implements Runnable{
//计数器为10
static final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);
static final CountDownLatchDemo demo = new CountDownLatchDemo();
@Override
public void run() {
try {
//模拟检查任务
Thread.sleep(new Random().nextInt(10) * 1000);
System.out.println("check complete");
//通知CountDownLatch,一个线程完成检查任务,倒计数器减1
end.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
for (int i = 0; i < 10; i++){
exec.submit(demo);
}
//主线程在CountDownLatch上等待,待所有检查任务完成,主线程才能继续执行
end.await();
System.out.println("Fire");
exec.shutdown();
}
}
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CountDownLatch倒计数器原理:
CountDownLatch使用AQS的方式与Semaphore很相似,在同步状态中保存的是当前的计数值。countDown方法调用release,使计数器递减,并且当计数值为0的时候,解除所有等待线程的阻塞。await调用aquire,当计数器为0的时候,acquire立即返回,否则将阻塞。
//countDown方法会调用
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (;;) {
//获取当前计数器数量
int c = getState();
//如果当前计数器数量为0则执行失败
if (c == 0)
return false;
//计数器数减1
int nextc = c-1;
//compareAndSetState原子操作更新计数器数量
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
//await方法会调用
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
//当前计数器数量为0的时候返回1,则会退出等待。如果返回-1则会循环调用此方法进行等待
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
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另外还有一个带有指定时间的await方法:
//等待一定时间,超时则不会阻塞当前线程
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
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注意事项:
CountDownLatch不可重复使用。不可能重新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数器的值。
CyclicBarrier
和CountDownLatch非常相似,也可以实现线程间的计数等待,但更加强大。CyclicBarrier的计数器是可以反复使用的。
CyclicBarrier构造函数:
//参数为计数总数,也就是线程数
public CyclicBarrier(int parties)
//第二个参数是当计数器数量线程全部到达“屏障”时,系统自动执行的动作(线程)
//线程到达屏障时,优先执行barrierAction
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
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CyclicBarrier的简单示例:
public class CyclicBarrierDemo {
public static class Soldier implements Runnable {
private String soldier;
private final CyclicBarrier cyclic;
public Soldier(String soldier, CyclicBarrier cyclic) {
this.soldier = soldier;
this.cyclic = cyclic;
}
@Override
public void run() {
try {
// 等待所有士兵到齐
cyclic.await();
doWork();
// 等待所有士兵完成工作
cyclic.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
void doWork() {
try {
Thread.sleep(Math.abs(new Random().nextInt() % 10000));
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(soldier + ": 完成任务");
}
}
public static class BarrierRun implements Runnable {
boolean flag;
int N;
public BarrierRun(boolean flag, int n) {
this.flag = flag;
N = n;
}
@Override
public void run() {
if (flag) {
System.out.println( N + " 个士兵完成任务");
} else {
System.out.println( N + " 个士兵集合完毕");
flag = true;
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final int N = 10;
Thread[] allSoldier = new Thread[N];
boolean flag = false;
CyclicBarrier cyclic = new CyclicBarrier(N, new BarrierRun(flag, N));
System.out.println("集合队伍");
for (int i = 0; i < 9; i++) {
System.out.println("士兵" + i + "报到");
allSoldier[i] = new Thread(new Soldier("士兵" + i, cyclic));
allSoldier[i].start();
}
}
}
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上述代码创建了计数器为10,执行动作为BarrierRun的CyclicBarrier实例。Soldier调用了await,每调用一次,计数器减1,当计数器为0时会触发BarrierRun。并且可以看到Soldier调用了两次await,可以看出CyclicBarrier是可以重复使用的。
另外需要注意的是如果上面代码中定义的CyclicBarrier对象的parties参数设置为11执行上述操作,则主线程和子线程会永远等待,因为没有第11个线程执行await方法(没有第11个线程到达屏障),所以之前到达屏障的10个线程都不会继续执行。
使用场景: 例如CyclicBarrier可以用于多线程计算数据,最后合并计算结果的场景。
CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
CountDownLatch的计数器只能使用一次,CyclicBarrier的计数器可以重复使用(使用reset()方法重置)
Exchanger
Exchanger用于进行线程间的数据交换。它提供一个交换点,当两个线程执行exchange()方法到达同步点时,两个线程可以将本线程生产数据传递给对方。
使用场景:Exchanger可以用于遗传算法或者校对工作。
下面看一个简单示例:
public class ExchangerTest {
private static final Exchanger<String> exgr = new Exchanger<>();
private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
public static void main(String[] args) {
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String A = "银行流水A"; //A录入银行流水数据
try {
String B = exgr.exchange(A);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String B = "银行流水B"; //B录入银行流水数据
try {
String A = exgr.exchange(B);
System.out.println("A和B数据是否一致:" + A.equals(B) + ",A录入是:" + A + ",B录入是:" + B);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
threadPool.shutdown();
}
}
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如果两个线程有一个没有执行exchange()方法,则另外一个线程则会一直等待,为避免一直等待可以使用如下方法设置最大等待时长:
//x:需要交换的数据 timeout:最大等待时长 unit:超时参数的时间单位
public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, TimeoutException
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参考书籍:《Java高并发程序设计(第2版)》《Java并发编程实战》《Java并发编程的艺术》