彻底理解Java并发:Java并发工具类

本篇内容包括:Java 并发工具类的介绍、使用方式与 Demo,包括了 CountDownLatch(线程计数器)、CyclicBarrier(回环栅栏)、Semaphore(信号量) 以及 Exchanger(交换器)等内容!

一、CountDownLatch(线程计数器)

CountDownLatch 线程计数器,俗称闭锁,作用是类似加强版的 Join,是让一组线程等待其他的线程完成工作以后才执行

CountDownLatch 类位于 java.util.concurrent 包下,利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务 A,它要等待其他 4 个任务执行完毕之后才能执行,此时就可以利用 CountDownLatch 来实现这种功能了。

Demo(主线程等待两个子线程执行完毕后,继续执行):

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
        new Thread(() -> {
            System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
            latch.countDown();
        }).start();


        new Thread(() -> {
            System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
            latch.countDown();
        }).start();

        System.out.println("等待 2 个子线程执行完毕...");
        latch.await();
        System.out.println("2 个子线程已经执行完毕");
        System.out.println("继续执行主线程");
    }

CountDownLatch 的主要方法:

  • CountDownLatch():初始化方法
  • public boolean await:等待方法,同时带参数的是超时重载方法
  • public void countDown():每执行一次,计数器减一,就是初始化传入的数字,也代表着一个线程完成了任务
  • public long getCount():获取当前值

二、CyclicBarrier(回环栅栏)

CyclicBarrier 回环栅栏,俗称栅栏锁,作用是让一组线程到达某个屏障,被阻塞,一直到组内的最后一个线程到达,然后屏障开放,接着,所有的线程继续运行叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后,CyclicBarrier 可以被重用。我们暂且把这个状态就叫做 barrier,当调用 await() 方法之后,线程就处于 barrier 了。

CyclicBarrier 中最重要的方法就是 await 方法,它有 2 个重载版本:

  1. public int await():用来挂起当前线程,直至所有线程都到达 barrier 状态再同时执行后续任务;

  2. public int await(long timeout, TimeUnit unit):让这些线程等待至一定的时间,如果还有线程没有到达 barrier 状态就直接让到达 barrier 的线程执行后续任务。

另外 CyclicBarrier 是可以重用的。

Demo(一组内 4 个线程,每个线程都等待组内所有线程到达 barrier 后,再继续执行):

    public static void main(String[] args) {
        int n = 4;
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(n);
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            new Writer(barrier).start();
        }
    }

    static class Writer extends Thread {
        private final CyclicBarrier cyclicBarrier;

        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟线程需要预定写入数据操作
                System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有线程写入完毕,继续处理其他任务,比如数据操作");
        }
    }

三、Semaphore(信号量)

Semaphore 翻译成字面意思为 信号量,Semaphore 可以控制同时访问的线程个数,通过 acquire() 获取一个许可,如果没有就等待,而 release() 释放一个许可。

Semaphore 类中比较重要的几个方法:

  1. public void acquire():用来获取一个许可,若无许可能够获得,则会一直等待,直到获得许可。

  2. public void acquire(int permits):获取 permits 个许可

  3. public void release() { } :释放许可。注意,在释放许可之前,必须先获获得许可。

  4. public void release(int permits) { }:释放 permits 个许可

上面 4 个方法都会被阻塞,如果想立即得到执行结果,可以使用下面几个方法

  1. public boolean tryAcquire():尝试获取一个许可,若获取成功,则立即返回 true,若获取失败,则立即返回 false

  2. public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit):尝试获取一个许可,若在指定的时间内获取成功,则立即返回 true,否则则立即返回 false

  3. public boolean tryAcquire(int permits):尝试获取 permits 个许可,若获取成功,则立即返回 true,若获取失败,则立即返回 false

  4. public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit): 尝试获取 permits个许可,若在指定的时间内获取成功,则立返回 true,否则则立即返回 false

  5. public int availablePermits():得到可用的许可数目。

Demo(工厂有 5 台机器,有 8 个工人,一台机器同时只能被一个工人使用,只有使用完了,其他工人才能继续使用):

    public static void main(String[] args) {
        int N = 8; //工人数
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            new Worker(i, semaphore).start();
        }
    }

    static class Worker extends Thread {
        private int num;
        private Semaphore semaphore;

        public Worker(int num, Semaphore semaphore) {
            this.num = num;
            this.semaphore = semaphore;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人" + this.num + "占用一个机器在生产...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("工人" + this.num + "释放出机器");
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

四、Exchanger(交换器)

Exchanger,俗称交换器,用于在线程之间交换数据,但是比较受限,因为只能两个线程之间交换数据

Exchanger 提供了一个同步点 exchange 方法,两个线程调用 exchange 方法时,无论调用时间先后,两个线程会互相等到线程到达 exchange 方法调用点,此时两个线程可以交换数据,将本线程产出数据传递给对方

Demo(商品方正在等待金钱方,使用货物兑换为金钱;金钱方正在等待商品方,使用金钱购买食物):

    /**
     * Exchanger实例
     */
    static final Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<String>();

    public static void main(String[] args) {
        // 模拟阻塞线程.
        new Thread(() -> {
            try {
                String wares = "红烧肉";
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "商品方正在等待金钱方,使用货物兑换为金钱.");
                Thread.sleep(2000);
                String money = exchanger.exchange(wares);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "商品方使用商品兑换了" + money);
            } catch (InterruptedException ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }).start();
        // 模拟阻塞线程.
        new Thread(() -> {
            try {
                String money = "人民币";
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "金钱方正在等待商品方,使用金钱购买食物.");
                Thread.sleep(4000);
                String wares = exchanger.exchange(money);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "金钱方使用金钱购买了" + wares);
            } catch (InterruptedException ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

五、总结

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 都能够实现线程之间的等待,只不过它们侧重点不同;CountDownLatch一般用于某个线程 A 等待若干个其他线程执行完任务之后,它才执行;而 CyclicBarrier 一般用于一组线程互相等待至某个状态,然后这一组线程再同时执行;另外,CountDownLatch 是不能够重用的,而 CyclicBarrier 是可以重用的。

Semaphore 其实和锁有点类似,它一般用于控制对某组资源的访问权限。

Exchanger 用于在线程之间交换数据,但是比较受限,因为只能两个线程之间交换数据。

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