转载请以链接形式标明出处: 本文出自:103style的博客
在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。
CountDownLatch
CyclicBarrier
Semaphore
Exchanger
本文会配合一些应用场景来介绍如何使用这些工具类。
CountDownLatch
允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。
假如有这样一个需求: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,最简单的做法是使用join()
方法,如下:
public static class JoinCountDownLatchTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("parser1 finish");
}
});
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");
}
}
输出结果:
parser1 finish
parser2 finish
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。其中,wait(0)
表示永远等待下去。代码片段如下:
while (isAlive()) {
wait(0);
}
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。
在JDK 1.5之后的并发包中提供的 CountDownLatch
也可以实现 join
的功能,并且比join
的功能更多,示例如下:
public static class CountDownLatchTest {
static CountDownLatch c = new CountDownLatch(3);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(1 + " -- " + System.currentTimeMillis());
c.countDown();
System.out.println(2 + " -- " + System.currentTimeMillis());
c.countDown();
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(4 + " -- " + System.currentTimeMillis());
c.countDown();
Thread.sleep(1000);
System.out.println(5 + " -- " + System.currentTimeMillis());
c.countDown();
System.out.println(6 + " -- " + System.currentTimeMillis());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
c.await();
System.out.println("3" + " -- " + System.currentTimeMillis());
}
}
输出结果
1 -- 1558966154351
2 -- 1558966154351
4 -- 1558966155352
3 -- 1558966155352
5 -- 1558966156353
6 -- 1558966156353
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 -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。
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。
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。
代码示例:
public static class CyclicBarrierTest {
private static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) {
System.out.println(" 1 -- " + System.currentTimeMillis());
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(" 2 -- " + System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(1000);
System.out.println(" 3 -- " + System.currentTimeMillis());
c.await();
System.out.println(" 4 -- " + System.currentTimeMillis());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
try {
System.out.println(" 5 -- " + System.currentTimeMillis());
c.await();
System.out.println(" 6 -- " + System.currentTimeMillis());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(" 7 -- " + System.currentTimeMillis());
}
}
输出结果:
1 -- 1558969130471
5 -- 1558969130471
2 -- 1558969130471
3 -- 1558969131471
4 -- 1558969131471
6 -- 1558969131471
7 -- 1558969131471
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 barrierAction)
,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。
示例如下:
public static 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
2
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 CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
中的 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 static class BankWaterService {
/**
* 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, new MyRunnable());
/**
* 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<>();
public static void main(String[] args) {
BankWaterService bankWaterCount = new BankWaterService();
bankWaterCount.count();
}
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();
}
}
});
}
}
class MyRunnable implements Runnable {
@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 = " + result);
}
}
}
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:
result = 4
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CyclicBarrier
阻塞的线程数量。isBroken()
方法用来了解阻塞的线程是否被中断。上面的银行流水例子执行完之后会返回true
。
以下是 isBroken
的使用代码示例:
public static class CyclicBarrierTest3 {
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
thread.start();
thread.interrupt();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
System.out.println(c.isBroken());
}
}
}
输出结果:
true
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。
多年以来,我都觉得从字面上很难理解
Semaphore
所表达的含义,只能把它比作是控制流量的红绿灯。比如××马路要限制流量,只允许同时有一百辆车在这条路上行使,其他的都必须在路口等待,所以前一百辆车会看到绿灯,可以开进这条马路,后面的车会看到红灯,不能驶入××马路,但是如果前一百辆中有5辆车已经离开了××马路,那么后面就允许有5辆车驶入马路,这个例子里说的车就是线程,驶入马路就表示线程在执行,离开马路就表示线程执行完成,看见红灯就表示线程被阻塞,不能执行。
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 static class SemaphoreTest {
private static final int THREAD_COUNT = 20;
private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
private static Semaphore s = new Semaphore(5);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
threadPool.execute(new MyRunnable(i));
}
threadPool.shutdown();
}
private static class MyRunnable implements Runnable {
private int index;
MyRunnable(int index) {
this.index = index;
}
@Override
public void run() {
try {
s.acquire();
System.out.println("save data -- " + index);
s.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
输出结果:
save data -- 0
save data -- 4
save data -- 3
save data -- 1
save data -- 2
save data -- 6
save data -- 5
save data -- 7
save data -- 9
save data -- 10
save data -- 8
save data -- 11
save data -- 12
save data -- 13
save data -- 14
save data -- 15
save data -- 16
save data -- 17
save data -- 18
save data -- 19
在代码中,虽然有20
个线程在执行,但是只允许5
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(5)
表示允许5
个线程获取许可证,也就是最大并发数是5
。
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。
其他方法
int availablePermits()
:返回此信号量中当前可用的许可证数。int getQueueLength()
:返回正在等待获取许可证的线程数。boolean hasQueuedThreads()
: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<Thread> getQueuedThreads()
:返回所有等待获取许可证的线程集合,是个protected
方法。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。
示例代码如下:
public static 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 {
// A录入银行流水数据
String A = "银行流水A";
exgr.exchange(A);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
// B录入银行流水数据
String B = "银行流水B";
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) {
e.printStackTrace();
}
}
});
threadPool.shutdown();
}
}
输出结果:
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, long timeout, TimeUnit unit)
设置最大等待时长。
本文配合一些应用场景介绍JDK中提供的几个并发工具类,大家记住这个工具类的用途,一旦有对应的业务场景,不妨试试这些工具类。