线程协作工具类：控制并发流程
1 什么是控制并发流程？
- 控制并发流程的工具类，作用就是帮助我们程序员更容易的让线程之间合作
- 让线程之间相互配合，来满足业务逻辑
- 比如让线程A等待线程B执行完毕后再执行等合作策略
有哪些控制并发流程的工具类？
2 CountDownLatch倒计时门闩
2.1 CountDownLatch类的作用
并发流程控制的工具
- 倒数门闩
- 例子：购物拼团；大巴（游乐园坐过山车排队），人满发车。
- 流程：倒数结束之前，一直处于等待状态，直到倒计时结束了，此线程才继续工作。
- CountDownLatch(int count)：仅有一个构造函数，参数count为需要倒数的数值。
- await()：调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行。
- countDown()：将count值减1，直到为0时，等待的线程会被唤起。
2.2 两个典型用法
- 两个典型用法：一等多和多等一
- CountDownLatch类在创建实例的时候，需要传递倒数次数。倒数到0的时候，之前等待的线程会继续运行
- CountDownLatch不能回滚重置
一等多
- 用法一：一个线程等待多个线程都执行完毕，再继续自己的工作。
/**
* 工厂中，质检，5个工人检查，所有人都认为通过，才通过
*/
public class CountDownLatchDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
ExecutorService threadPool = 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();
}
};
threadPool.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。");
threadPool.shutdown();
}
}public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) 还可以设置等待的时间，超时就不在等待了
public class CountDownLatchDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
ExecutorService threadPool = 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();
}
};
threadPool.submit(runnable);
}
System.out.println("等待了5秒我就不等了，管你检查没检查完.....");
//谁等待谁调用await
latch.await(5, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("溜了溜了.....");
threadPool.shutdown();
}
}多等一
- 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 CountDownLatchDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
ExecutorService threadPool = 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();
}
};
threadPool.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();
threadPool.shutdown();
}
}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。
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);
}
}
}/**
* 限制最大的并发送为3，超过就丢弃
*/
@Slf4j
public class SemaphoreExample3 {
private final static int threadCount = 20;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
if(i > threadCount / 2){
Thread.sleep(500);
}
exec.execute(() -> {
try {
//semaphore.tryAcquire(5000, TimeUnit.MILLISECONDS)
if (semaphore.tryAcquire()) { // 尝试获取一个许可
test(threadNum);
semaphore.release(); // 释放一个许可
}
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
exec.shutdown();
}
private static void test(int threadNum) throws Exception {
log.info("{}", threadNum);
Thread.sleep(1000);
}
}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
- 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）。
- 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。
- 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。
- 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。
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 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();
}
}
}
}
} @Slf4j
public class LockExample {
public static void main(String[] args) {
ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
Condition condition = reentrantLock.newCondition();
new Thread(() -> {
try {
reentrantLock.lock();
log.info("wait signal"); // 1
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.info("get signal"); // 4
reentrantLock.unlock();
}).start();
new Thread(() -> {
reentrantLock.lock();
log.info("get lock"); // 2
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
condition.signalAll();
log.info("send signal ~ "); // 3
reentrantLock.unlock();
}).start();
}
}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。
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();
}
}
}
}@Slf4j
public class CyclicBarrierExample {
private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
threadPool.execute(() -> {
try {
race(threadNum);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
log.info("{} is ready", threadNum);
barrier.await();
log.info("{} continue", threadNum);
}
}@Slf4j
public class CyclicBarrierExample {
private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
executor.execute(() -> {
try {
race(threadNum);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
executor.shutdown();
}
private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
log.info("{} is ready", threadNum);
try {
barrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
} catch (Exception e) {
//log.warn("BarrierException", e);
System.out.println("不等了");
}
log.info("{} continue", threadNum);
}
}@Slf4j
public class CyclicBarrierExample {
//到达屏障的时候，优先执行这个里面的Runnable
private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
log.info("callback is running");
});
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
executor.execute(() -> {
try {
race(threadNum);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
executor.shutdown();
}
private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
log.info("{} is ready", threadNum);
barrier.await();
log.info("{} continue", threadNum);
}
}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。