[Java 并发]Java多线程同步优化（三）

上次说到Java可以用最基本的wait(),notifyAll(),synchronized实现最基本的线程同步，那么今天看看其他的实现方法。

从Linux说起

• 互斥量
  什么事互斥量：一个mutex，只有、持有这个mutex才可以去操作mutex对于的资源，但是这个非常容易引起死锁，所以就会有pthread_mutex_trylock函数的使用（是非阻塞的加锁函数，若加锁失败，则立即返回EBUSY。），来终止死锁四个条件的环路等待条件。下面2个函数就是具体的使用

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

• 信号量
  信号量机制，sem_wait(sem_t *sem)首先将对应的sem资源的数目减一，然后再去判断是否可用，如果可用就去使用，如果不行的话，就把自己加入到sem对应的阻塞队列里面去。然后sem_post(sem_t *sem)先对对应的sem资源的数目加一（即释放资源），然后唤醒其对应的阻塞队列。所以这个机制和Java原生态的进程同步相似。(补充一点：在操作系统的课上我们学到还有一个AND型信号量，用于多个资源的同时申请，也就是把若干个wait()语句当作一个原子操作一起执行)

sem_wait(sem_t *sem);
sem_post(sem_t *sem);

• 管道通信，在2个进程（一般是父进程和fork()出来的子进程）进行单项的数据通信。
• 消息队列，在Android里面有个Handler + Looper + MessageQueue实现多线程之间的通信。原理如下：生产者生产放在消息队列里面，然后消费者在消息队列里面取出来进行消费。

生产者-消费者队列

在Java.util.concurrent.BlockingQueue就提供了这样一个接口，给我们封装了消息队列，生产者与消费者持有同一个阻塞队列的引用，就可以对队列进行操作。
首先我们看看代码：

首先定义一个消息队列：用来传输消息。

package lesson_3;

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
 * Created on 2016/5/21.
 *
 * @author 王启航
 * @version 1.0
 */
public class BeanQueue extends LinkedBlockingQueue<Integer> {
}

然后消费者，生产者：

package lesson_3;

/**
 * Created on 2016/5/21.
 *
 * @author 王启航
 * @version 1.0
 */
public class Consumer implements Runnable {

    BeanQueue mBeanQueue;

    public Consumer(BeanQueue mBeanQueue) {
        this.mBeanQueue = mBeanQueue;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("Get-> " + mBeanQueue.take()); //出队列
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

package lesson_3;

/**
 * Created on 2016/5/21.
 *
 * @author 王启航
 * @version 1.0
 */
public class Producer implements Runnable {

    BeanQueue mBeanQueue;
    static int count = 0;

    public Producer(BeanQueue mBeanQueue) {
        this.mBeanQueue = mBeanQueue;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("Put-> " + count);
                mBeanQueue.put(count++); //入队列
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

然后Main：

package lesson_3;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * Created on 2016/5/21.
 *
 * @author 王启航
 * @version 1.0
 */
public class Main {
    public static void main(String args[]) {
        BeanQueue mBeanQueue = new BeanQueue();
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        service.execute(new Producer(mBeanQueue));
        service.execute(new Consumer(mBeanQueue));
    }
}

运行一段时间，可以看到如下结果：

Put-> 0
Get-> 0
Put-> 1
Put-> 2
Get-> 1
Put-> 3
Put-> 4
Get-> 2
Put-> 5
Put-> 6
Get-> 3
Put-> 7
Put-> 8
Get-> 4
Put-> 9

下面来进行分析：

public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

继承了AbstractQueue，所以可以用put(),take()来进行入队列和出队列。关于队列的方法可以参考这里

这样，相对于显式调用wait() + notifyAll()几个方法，每个类只和BlockingQueue进行交互，降低了类与类之间的耦合。

Java.util.concurrent的其他并发工具类

CountDownLatch：Latch是阀门的意思。这个类可以设置一个初始值，每调用一次countdown()这个值就会减一。直到0的时候才会调用await()，也就是上面说的信号量机制。

下面看看一个实例：

package lesson_4;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * Created on 2016/5/21.
 *
 * @author 王启航
 * @version 1.0
 */
public class TaskPortion implements Runnable {

    CountDownLatch mLatch;

    public TaskPortion(CountDownLatch mLatch) {
        this.mLatch = mLatch;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!Thread.interrupted()) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("Consume-");
                mLatch.countDown();

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

package lesson_4;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * Created on 2016/5/21.
 *
 * @author 王启航
 * @version 1.0
 */
public class WaitingTask implements Runnable {

    CountDownLatch mLatch;

    public WaitingTask(CountDownLatch mLatch) {
        this.mLatch = mLatch;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            mLatch.await();
            System.out.println("WaitingTask-");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

package lesson_4;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * Created on 2016/5/21.
 *
 * @author 王启航
 * @version 1.0
 */
public class Main {
    public static void main(String args[]) {
        CountDownLatch mLatch = new CountDownLatch(5);
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        service.execute(new TaskPortion(mLatch));
        service.execute(new WaitingTask(mLatch));
    }
}

结果如下：

Consume-
Consume-
Consume-
Consume-
Consume-
WaitingTask-

过程如下:首先TaskPortion 与 WaitingTask会一起并发执行.但是在WaitingTask的await()的会阻塞，所以在TaskPortion里面的countdown()减到0的时候，WaitingTask的await()之后的方法才会被调用。

那么有没有觉得这个类特别像join()函数？？？那么这个类比join()有什么好处呢？
- 直接由Executor进行控制，，避免了直接对线程进行操作而导致的一些问题
- join()只可以让一个线程进行等待，而CountDownLatch可以让多个线程进行等待，只需持有相同的引用即可。

CyclicBarrier
可以把其看做一个公共的屏障，所有的线程到达这个屏障之后，再去执行其他的操作，
所以在CyclicBarrier的构造函数里面传入一个Runnable，为到达公共屏障之后的动作。然后一个CyclicBarrier#await()表示到达公共屏障。

最后还有一些BlockingQueue的各种实现类，大家可以自己去看JavaDoc.

一些思考

有一个问题：主线程必须等待所有（大量）的子线程执行完毕后才可以执行，这个问题有哪些解决方案：

• 利用join，每个线程都去调用join方法
• 利用CountDownLatch，可以参考上文
• 利用线程池，ExecutorService的一个方法boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)，即阻塞主线程，等待线程池的所有线程执行完成。另外，while(!executor.isTerminated())也可以替代上面的while (!executor.awaitTermination(10,TimeUnit.SECONDS))，isTerminated是用来判断线程池是否执行完成。但是二者比较我认为还是awaitTermination更好，它有一个超时时间可以控制每隔多久循环一次，而不是一直在循环来消耗性能。参考
• 利用Callable + Future，Callable类似于Runnable，但是Callable有返回值，返回一个Future对象，然后再去调用Future里面的方法。

 // Callable + Future 简单用法,,,或者使用ExecutorService#submit来执行Callable
 @org.junit.Test
    public void test() {
        Callable callable = () -> new Random().nextInt(100);

        FutureTask future = new FutureTask<>(callable);
        new Thread(future).start();

        try {
            System.out.println(future.get());
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

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