java并发编程 13：JUC之Semaphore、CountdownLatch、 CyclicBarrier
目录
- Semaphore
-
- 使用
- 常见应用
- 原理
-
- 源码
- 流程
- CountdownLatch
-
- 使用
- 原理
- CyclicBarrier
-
- 使用
Semaphore
使用
Semaphore是一种计数信号量，它用于控制对共享资源的访问。它维护了一个许可计数器，表示可用的许可数量。线程在访问共享资源前必须先获得许可，如果许可数量大于0，则线程可以获得许可并继续执行，同时许可数量减少；如果许可数量为0，则线程必须等待，直到有其他线程释放许可。
Semaphore的构造函数有两种形式：
Semaphore(int permits): 创建具有给定许可数量的Semaphore对象。Semaphore(int permits, boolean fair): 创建具有给定许可数量的Semaphore对象，并指定是否使用公平的排序策略。如果fair为true，则等待时间较长的线程优先获得许可。
Semaphore类的主要方法有：
void acquire(): 获取一个许可，如果没有可用许可，则线程将阻塞，直到有可用许可为止。void acquire(int permits): 获取给定数量的许可，如果没有足够的可用许可，则线程将阻塞，直到有足够数量的许可为止。void release(): 释放一个许可，将许可数量加1。void release(int permits): 释放给定数量的许可，将许可数量加上指定数量。int availablePermits(): 返回当前可用的许可数量。boolean tryAcquire(): 尝试获取一个许可，如果有可用许可，则立即返回true，否则返回false。boolean tryAcquire(int permits): 尝试获取给定数量的许可，如果有足够的可用许可，则立即返回true，否则返回false。void acquireUninterruptibly(): 获取一个许可，不响应中断。void acquireUninterruptibly(int permits): 获取给定数量的许可，不响应中断。
示例：
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class SemaphoreExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个Semaphore对象，初始许可数量为3
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
// 创建10个线程并启动
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new Thread(new Worker(semaphore, i));
thread.start();
}
}
static class Worker implements Runnable {
private final Semaphore semaphore;
private final int id;
public Worker(Semaphore semaphore, int id) {
this.semaphore = semaphore;
this.id = id;
}
@Override
public void run() {
try {
System.out.println("Worker " + id + " is waiting for a permit.");
semaphore.acquire();
System.out.println("Worker " + id + " got a permit and is doing some work.");
Thread.sleep(2000);
System.out.println("Worker " + id + " released the permit and finished.");
semaphore.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
在这个示例中，我们创建了一个Semaphore对象，并初始化许可数量为3。然后，我们创建了10个Worker线程，每个线程在执行前会先尝试获取一个许可，如果没有可用许可，它将会被阻塞直到有可用许可为止。每个Worker线程执行一段模拟的工作，然后释放许可，以便其他线程可以继续执行。
请注意，Semaphore适用于控制对有限资源的并发访问。通过适当地设置许可数量，您可以控制同时访问共享资源的线程数量，从而避免资源过度竞争和冲突。
常见应用
Semaphore在实际应用中有很多用途，它是一种非常有用的并发控制工具。下面列举一些Semaphore的实际应用：
-
连接池管理：在数据库连接池、线程池等资源池管理中，Semaphore可以控制可用资源的数量，限制同时处理的连接或线程数量，避免资源过度使用。
-
限流控制：在网络应用中，可以使用Semaphore实现流量控制，限制请求的处理速率，防止系统过载。
-
并发访问控制：在某些场景下，需要限制同时访问某个资源的线程数量，例如限制文件的并发读写、限制同时下载文件的数量等。
-
多任务协作：在一些多阶段任务中，需要控制各个阶段的并发执行，Semaphore可以用来实现阶段间的同步。
-
实现有界容器：例如使用Semaphore实现有界的阻塞队列，控制队列中元素的数量，防止内存溢出或者资源耗尽。
-
实现读写锁：Semaphore也可以用来实现读写锁的功能，用于读操作和写操作之间的互斥。
-
任务并行处理：在一些并行计算场景中，可以使用Semaphore来控制并行处理的任务数量，控制计算资源的使用。
-
分布式系统协调：在分布式系统中，Semaphore可以用来实现资源的分配和协调，保证分布式任务的有序执行。
这些仅是Semaphore的一部分应用场景，实际上，Semaphore是一种非常灵活和强大的工具，可以用于解决许多并发编程中的问题。在实际使用中，需要根据具体场景和需求合理地配置Semaphore的许可数量，从而达到控制并发的目的。
原理
源码
- 构造方法
构造方法如下：
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
构造方法里有个必须的参数permits，用来表示信号量的个数，第二可选参数表示公平还是非公平。
构造方法里会初始化一个同步器sync。
先看下默认的非公平的NonfairSync，代码如下：
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
NonfairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
}
然后看下继承的内部的Sync类：
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
final int getPermits() {
return getState();
}
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
final void reducePermits(int reductions) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current - reductions;
if (next > current) // underflow
throw new Error("Permit count underflow");
if (compareAndSetState(current, next))
return;
}
}
final int drainPermits() {
for (;;) {
int current = getState();
if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
return current;
}
}
}
可以看到：参数permits又在调用AQS的setState方法时，作为方法参数，也就是传的permits参数称为了我们前面说的AQS的state参数。
- 获取锁
下面看下获取锁的代码。
首先是acquire方法：
public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}
然后看下acquireSharedInterruptibly：
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 如果尝试获取许可证后，剩余数量小于0，则执行下面的方法，否则就是获取成功了
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
然后调用tryAcquireShared方法，找到对应的实现类：
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
nonfairTryAcquireShared代码如下：
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 拿到permits，即这个信号量可用的许可证数量
int available = getState();
// 可用的减去获取的，即剩余的许可证
int remaining = available - acquires;
// 如果剩余的小于0。或者大于0且使用CAS修改available成功，则返回剩余的数量
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
nonfairTryAcquireShared方法返回值在acquireSharedInterruptibly方法里，做了一个判断如果小于0，还要执行doAcquireSharedInterruptibly方法：
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} catch (Throwable t) {
cancelAcquire(node);
throw t;
}
}
上面的方法前面也已经讲解过，主要就是把后面获取不到锁的节点加入到队列中等待。
- 释放锁
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
看下releaseShared方法：
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
然后是tryReleaseShared方法，找到对应实现方法：
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
// 拿到当前的状态值
int current = getState();
// 当前的 + 要释放的，即新的释放锁后的状态值
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
// CAS修改状态值，成功返回true
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
上面方法如果返回ture，在releaseShared方法里还要执行doReleaseShared方法：
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!h.compareAndSetWaitStatus(Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!h.compareAndSetWaitStatus(0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
这个方法前面也讲过类似，主要是唤醒等待队列中的节点。
流程
Semaphore 有点像一个停车场，permits 就好像停车位数量，当线程获得了 permits 就像是获得了停车位，然后停车场显示空余车位减一。
刚开始，permits（state）为 3，这时 5 个线程来获取资源
假设其中 Thread-1，Thread-2，Thread-4 cas 竞争成功，而 Thread-0 和 Thread-3 竞争失败，进入 AQS 队列park 阻塞
这时 Thread-4 释放了 permits，状态如下
接下来 Thread-0 竞争成功，permits 再次设置为 0，设置自己为 head 节点，断开原来的 head 节点，unpark 接下来的 Thread-3 节点，但由于 permits 是 0，因此 Thread-3 在尝试不成功后再次进入 park 状态
CountdownLatch
使用
CountDownLatch 类可以设置一个计数器，然后通过 countDown 方法来进行减 1 的操作，使用 await 方法等待计数器不大于 0，然后继续执行 await 方法之后的语句。
CountDownLatch 主要有两个方法：
await：当一个或多个线程调用 await 方法时，这些线程会阻塞;countDown：其它线程调用 countDown 方法会将计数器减 1(调用 countDown 方法的线程不会阻塞)，当计数器的值变为 0 时，因 await 方法阻塞的线程会被唤醒，继续执行。
示例：
package up.cys.chapter13;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
@Slf4j
public class CountdownLatchTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
new Thread(() -> {
log.info("begin...");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
latch.countDown();
log.info("end...{}", latch.getCount());
}).start();
new Thread(() -> {
log.info("begin...");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
latch.countDown();
log.info("end...{}", latch.getCount());
}).start();
new Thread(() -> {
log.info("begin...");
try {
Thread.sleep(1500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
latch.countDown();
log.info("end...{}", latch.getCount());
}).start();
log.info("waiting...");
latch.await();
log.info("wait end...");
}
}
运行结果如下：
2023-07-26 21:24:12,866 - 0 INFO [Thread-2] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:37 - begin...
2023-07-26 21:24:12,866 - 0 INFO [Thread-1] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:27 - begin...
2023-07-26 21:24:12,866 - 0 INFO [main] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:46 - waiting...
2023-07-26 21:24:12,866 - 0 INFO [Thread-0] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:17 - begin...
2023-07-26 21:24:13,884 - 1018 INFO [Thread-0] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:24 - end...2
2023-07-26 21:24:14,375 - 1509 INFO [Thread-2] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:44 - end...1
2023-07-26 21:24:14,880 - 2014 INFO [Thread-1] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:34 - end...0
2023-07-26 21:24:14,880 - 2014 INFO [main] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:48 - wait end...
可使用线程池来改进，如下：
package up.cys.chapter13;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
@Slf4j
public class CountdownLatchTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(4);
service.submit(() -> {
log.info("begin...");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
latch.countDown();
log.info("end...{}", latch.getCount());
});
service.submit(() -> {
log.info("begin...");
try {
Thread.sleep(1500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
latch.countDown();
log.info("end...{}", latch.getCount());
});
service.submit(() -> {
log.info("begin...");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
latch.countDown();
log.info("end...{}", latch.getCount());
});
service.submit(()->{
try {
log.info("waiting...");
latch.await();
log.info("wait end...");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
}
运行结果如下：
2023-07-26 21:29:47,937 - 0 INFO [pool-1-thread-1] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:20 - begin...
2023-07-26 21:29:47,939 - 2 INFO [pool-1-thread-4] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:51 - waiting...
2023-07-26 21:29:47,938 - 1 INFO [pool-1-thread-3] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:40 - begin...
2023-07-26 21:29:47,937 - 0 INFO [pool-1-thread-2] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:30 - begin...
2023-07-26 21:29:48,959 - 1022 INFO [pool-1-thread-1] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:27 - end...2
2023-07-26 21:29:49,456 - 1519 INFO [pool-1-thread-2] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:37 - end...1
2023-07-26 21:29:49,956 - 2019 INFO [pool-1-thread-3] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:47 - end...0
2023-07-26 21:29:49,956 - 2019 INFO [pool-1-thread-4] up.cys.chapter13.CountdownLatchTest:53 - wait end...
原理
CountdownLatch类声明
CountdownLatch 是一个具有以下构造函数和方法的类：
public class CountdownLatch {
public CountdownLatch(int count) { ... }
public void await() throws InterruptedException { ... }
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { ... }
public void countDown() { ... }
public long getCount() { ... }
}
- 构造函数
CountdownLatch 的构造函数接受一个整数参数 count，表示需要等待的事件数量。这个 count 参数在创建 CountdownLatch 实例时被初始化，并且一旦初始化后，就不能再更改。
await()方法
await() 方法使调用线程等待，直到计数器变为零。如果计数器当前为零，则此方法立即返回。如果计数器大于零，则线程将被阻塞，直到另一个线程通过调用 countDown() 方法将计数器减少为零。
await(long timeout, TimeUnit unit)方法
await(long timeout, TimeUnit unit) 方法与 await() 方法类似，但是允许设置一个超时时间。如果在指定的时间内计数器变为零，该方法将返回 true，否则返回 false。
countDown()方法
countDown() 方法将 CountdownLatch 的计数器减少1。如果计数器减少到零，所有在 await() 方法上等待的线程将被释放，并且它们将继续执行。
getCount()方法
getCount() 方法返回当前计数器的值。
CyclicBarrier
使用
CyclicBarrier 是 Java 并发包 (java.util.concurrent) 中提供的一种线程同步机制，它允许一组线程相互等待，直到所有线程都到达某个共同点，然后再同时继续执行后续操作。CyclicBarrier 的工作方式类似于一组线程相互等待集合齐全后再同时出发，就像是一个循环屏障。
特点：
- 循环性：与
CountdownLatch不同，CyclicBarrier可以被重用，即在一次等待完成后，它的计数器会被重置，可以再次使用。 - 等待点：所有线程都必须在
CyclicBarrier中声明的等待点上等待，直到最后一个线程到达这个点，所有等待的线程将被释放。 - 计数器：
CyclicBarrier内部维护一个计数器，用于跟踪还有多少个线程未到达等待点。
CyclicBarrier 的构造函数如下：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
parties表示等待的线程数，即需要同步的线程数量。每个线程调用await()方法时，都会将计数器减1，直到计数器减至0时，所有等待的线程将被释放，继续执行后续操作。barrierAction是一个可选的Runnable参数，在所有线程释放后，将在最后一个线程到达等待点时执行。
使用示例：
下面是一个简单的例子，说明如何使用 CyclicBarrier：
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class Example {
public static void main(String[] args) {
int numberOfThreads = 3;
// 定义一个Runnable，用于在所有线程释放后执行的操作
Runnable barrierAction = () -> System.out.println("All threads have reached the barrier.");
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(numberOfThreads, barrierAction);
for (int i = 0; i < numberOfThreads; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
// 模拟一些任务执行
System.out.println("Task executed by thread: " + Thread.currentThread().getName());
barrier.await(); // 等待其他线程
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
});
thread.start();
}
}
}
在上面的示例中，我们创建了3个线程，每个线程都模拟执行一个任务，并在完成后调用 await() 方法等待其他线程。当所有线程都到达等待点时，barrierAction 中的操作会被执行，输出 “All threads have reached the barrier.”。
这就是 CyclicBarrier 的简单介绍和用法。它在一些多线程协作的场景中非常有用，例如在某个任务需要多个子任务都完成后再进行处理的情况下。