java并发编程（六）抽象同步队列AQS+Semaphore+CountDownLatch+CyclicBarrier
java并发编程（六）抽象同步队列AQS+Semaphore+CountDownLatch+CyclicBarrier
AbstractQueuedSynchronizer 抽象同步队列简称 AQS，它是实现同步器的基础组件， 并发包中锁的底层就是使用 AQS 实现的，这个类在java.util.concurrent.locks包下面
AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。当然，我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。
AQS 原理
AQS核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系）。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node）来实现锁的分配
AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。
private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
状态信息通过protected类型的getState，setState，compareAndSetState进行操作
//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {
return state;
}
// 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
AQS定义两种资源共享方式
- Exclusive（独占）：只有一个线程能执行，如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁：
-公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁
-非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的 - Share（共享）：多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。
ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。
不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在上层已经帮我们实现好了。
AQS底层使用了模板方法模式
同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：
1.使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）
2.将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。
这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，这是模板方法模式很经典的一个运用，下面简单的给大家介绍一下模板方法模式，模板方法模式是一个很容易理解的设计模式之一。
模板方法模式是基于”继承“的，主要是为了在不改变模板结构的前提下在子类中重新定义模板中的内容以实现复用代码。举个很简单的例子假如我们要去一个地方的步骤是：购票buyTicket()->安检securityCheck()->乘坐某某工具回家ride()->到达目的地arrive()。我们可能乘坐不同的交通工具回家比如飞机或者火车，所以除了ride()方法，其他方法的实现几乎相同。我们可以定义一个包含了这些方法的抽象类，然后用户根据自己的需要继承该抽象类然后修改 ride()方法
AQS使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法：
isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
默认情况下，每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。 这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用。
以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的
再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS(Compare and Swap)减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。
一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。
推荐两篇 AQS 原理和相关源码分析的文章：
- http://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html
- https://www.cnblogs.com/chengxiao/archive/2017/07/24/7141160.html
Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问
synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。
在JAVA里面，我的理解是信号计数的作用，比如我想设置只能允许500个线程访问WebServer，那么如何控制500个数量哪？每来一个请求，就通过acquire()获取一个许可，然后数量自动减一，处理完成之后通过release()释放一个许可，数量自动加一。这样就实现了控制的作用，当然这个功能咱们自己通过锁的机制可以自己完成，不过使用Semaphore比较简单、方便，这也是它产生的原因。好了废话少说，写一段代码看看。
public class Test implements Runnable {
// 只能5个线程同时访问
Semaphore semp = new Semaphore(5);
int num = 0;
@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
try {
// 获取许可
semp.acquire();
System.out.println("这是第几个线程：" + this.num++);
//System.out.println(this.num);
Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
// 访问完后，释放
semp.release();
System.out.println("空闲线程的数量：" + semp.availablePermits());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
// 线程池
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
Test test = new Test();
// 模拟20个客户端访问
for (int index = 0; index < 10; index++) {
System.out.println("开启了第几个线程："+index);
exec.execute(test);
}
// 退出线程池
exec.shutdown();
}
}
Semaphore 有两种模式，公平模式和非公平模式。
- 公平模式： 调用acquire的顺序就是获取许可证的顺序，遵循FIFO；
- 非公平模式： 抢占式的。
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
这两个构造方法，都必须提供许可的数量，第二个构造方法可以指定是公平模式还是非公平模式，默认非公平模式。
CountDownLatch （倒计时器)
CountDownLatch是一个同步工具类，它允许一个或多个线程一直等待，直到其他线程的操作执行完后再执行。
CountDownLatch 的三种典型用法
①某一线程在开始运行前等待n个线程执行完毕。将 CountDownLatch 的计数器初始化为n ：new CountDownLatch(n) ，每当一个任务线程执行完毕，就将计数器减1 countdownlatch.countDown()，当计数器的值变为0时，在CountDownLatch上 await() 的线程就会被唤醒。一个典型应用场景就是启动一个服务时，主线程需要等待多个组件加载完毕，之后再继续执行。
**②实现多个线程开始执行任务的最大并行性。**注意是并行性，不是并发，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。做法是初始化一个共享的 CountDownLatch 对象，将其计数器初始化为 1 ：new CountDownLatch(1) ，多个线程在开始执行任务前首先 coundownlatch.await()，当主线程调用 countDown() 时，计数器变为0，多个线程同时被唤醒。
③死锁检测：一个非常方便的使用场景是，你可以使用n个线程访问共享资源，在每次测试阶段的线程数目是不同的，并尝试产生死锁。
列举一个场景，三个人赛跑，哨声一响同时出发，跑到一半时A选手突然觉得拿名次没什么意思，当最后一名也挺好，然后他就让B，C先跑到终点，然后自己再跑。
这里我们可以开三个线程模拟三位选手，看看我们怎么通过这两个重要方法来实现A选手的想法的。
public class Sample {
/**
* 计数器，用来控制线程
* 传入参数2，表示计数器计数为2
*/
private final static CountDownLatch mCountDownLatch = new CountDownLatch(2);
/**
* A线程类
*/
private static class ThreadA extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("A选手 出发!");
try {
// 会阻塞在这里等待 mCountDownLatch 里的count变为0；
// 也就是等待另外的WorkingThread调用countDown()
mCountDownLatch.await();
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("A选手 到终点拉!");
}
}
/**
* BC线程类
*/
private static class WorkingThread extends Thread {
private final String mThreadName;
private final int mSleepTime;
public WorkingThread(String name, int sleepTime) {
mThreadName = name;
mSleepTime = sleepTime;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(mThreadName + "出发!");
try {
Thread.sleep(mSleepTime);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(mThreadName + " 到终点拉!");
mCountDownLatch.countDown();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 最先run ThreadA
new ThreadA().start();
new WorkingThread("B选手", 2000).start();
new WorkingThread("C选手", 2000).start();
}
}
结果：
A选手出发
B选手出发
C选手出发
C选手到终点啦
B选手到终点啦
A选手到终点啦
CountDownLatch 的不足
CountDownLatch是一次性的，计数器的值只能在构造方法中初始化一次，之后没有任何机制再次对其设置值，当CountDownLatch使用完毕后，它不能再次被使用。
CyclicBarrier(循环栅栏)
CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。
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干活。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。
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应用场景。比如我们用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个帐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。
public class CyclicBarrierTest {
// 自定义工作线程
private static class Worker extends Thread {
private CyclicBarrier cyclicBarrier;
public Worker(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
}
@Override
public void run() {
super.run();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始等待其他线程");
cyclicBarrier.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
// 工作线程开始处理，这里用Thread.sleep()来模拟业务处理
Thread.sleep(1000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
int threadCount = 3;
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
System.out.println("创建工作线程" + i);
Worker worker = new Worker(cyclicBarrier);
worker.start();
}
}
}
CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
CountDownLatch是计数器，只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器提供reset功能，可以多次使用。但是我不那么认为它们之间的区别仅仅就是这么简单的一点。我们来从jdk作者设计的目的来看，javadoc是这么描述它们的：
CountDownLatch: A synchronization aid that allows one or more threads to wait until a set of operations being performed in other threads completes.(CountDownLatch: 一个或者多个线程，等待其他多个线程完成某件事情之后才能执行；) CyclicBarrier : A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point.(CyclicBarrier : 多个线程互相等待，直到到达同一个同步点，再继续一起执行。)
对于CountDownLatch来说，重点是“一个线程（多个线程）等待”，而其他的N个线程在完成“某件事情”之后，可以终止，也可以等待。而对于CyclicBarrier，重点是多个线程，在任意一个线程没有完成，所有的线程都必须等待。
CountDownLatch是计数器，线程完成一个记录一个，只不过计数不是递增而是递减，而CyclicBarrier更像是一个阀门，需要所有线程都到达，阀门才能打开，然后继续执行。