Java并发编程(四)：Java中的并发工具类

水畔竹汐_
540 阅读6分钟

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。

例子： 我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序需要提示解析完成。在这个需求中，要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作。

  • 方式一：最简单的做法是使用join()方法：
public class JoinCountDownLatchTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
   public void run() {
            }
        });
        Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
    public void run() {
    System.out.println("parser2 finish");
            }
        });
    parser1.start();
    parser2.start();
    parser1.join();
    parser2.join();
    System.out.println("all parser finish");
    }
}

join用于让当前执行线程等待join线程执行结束。其实现原理是不停检查join线程是否存活，如果join线程存活则让当前线程永远等待。

直到join线程中止后，线程的this.notifyAll()方法会被调用，调用notifyAll()方法是在JVM里实现的，所以在JDK里看不到，大家可以查看JVM源码。

  • 方式二：CountDownLatch也可以实现join的功能，并且比join的功能更多：
public class CountDownLatchTest {
staticCountDownLatch 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");
    }
}

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。join也有类似的方法。

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。

2、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。

2.1、CyclicBarrier简介

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。

public class CyclicBarrierTest {
staticCyclicBarrier 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);
    }
}

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。

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，所以当有2个线程调用await()方法阻塞后，必须等代码中的线程A执行完之后，才会继续执行主线程和第一个线程。

2.2、CyclicBarrier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：

/**
 * 银行流水处理服务类
 * 
 * @author
 * 
 */
publicclass 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>();
        privatevoid count() {
                for (inti = 0; i< 4; i++) {
                        executor.execute(new Runnable() {
                                @Override
                                publicvoid 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
        publicvoid run() {
                intresult = 0;
                // 汇总每个sheet计算出的结果
                for (Entry<String, Integer>sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
                        result += sheet.getValue();
                }
                // 将结果输出
                sheetBankWaterCount.put("result", result);
                System.out.println(result);
        }
        publicstaticvoid 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。

2.3、CyclicBarrier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，比如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。

3、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。
public class SemaphoreTest {
    private static final int THREAD_COUNT = 30;
    private static ExecutorServicethreadPool = Executors
            .newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
    private static Semaphore s = new Semaphore(10);
    public static void main(String[] args) {
    for (inti = 0; i< THREAD_COUNT; i++) {
    threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
    public void run() {
    try {
    s.acquire();
    System.out.println("save data");
    s.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
            });
        }
threadPool.shutdown();
    }
}

代码中，虽然有30个线程在执行，但是只允许10个并发执行。Semaphore的构造方法Semaphore（int permits）接受一个整型的数字，表示可用的许可证数量。Semaphore（10）表示允许10个线程获取许可证，也就是最大并发数是10。Semaphore的用法也很简单，首先线程使用Semaphore的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。还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证。

Semaphore还提供一些其他方法：

  • 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。

3、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。

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。
public class ExchangerTest {
private static final Exchanger<String>exgr = new Exchanger<String>();
private static ExecutorServicethreadPool = 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
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
                    String A = exgr.exchange("B");
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();
    }
}

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。

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