Java并发 - 工具篇

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简介

前面我们介绍了 JUC 中的并发容器，它相当于一个同步容器的升级版，很大程度上提高了并发的性能

今天我们来介绍 JUC 中的并发工具，它主要是通过改变自身的状态来控制线程的执行流程；

常见的有如下几种：

• CountDownLatch：倒计时器（属于闭锁的一种实现），用来阻塞线程
• CyclicBarrier：循环栅栏，类似倒计时器，但是比他更高级，也是用来阻塞线程（只不过阻塞的方式不同，下面会具体介绍）
• Semaphore：信号量，用来控制多个线程同时访问指定的资源，比如我们常用的数据库连接池

正文

1. 什么是并发工具

并发工具是一组工具类，主要是用来控制线程的执行流程，比如阻塞某个线程，以等待其他线程

2 . 倒计数器 CountDownLatch

从字面意思来看，就是一个倒计数门闩（shuan，打了半天zha就是打不出来)

通俗一点来说，就是倒计数，时间一到，门闩就打开

注：一旦打开，就不能再合上，即这个 CountDownLatch 的状态改变是永久不可恢复的（记住这个点，后面会有对比）

比较官方的说法：倒计数器用来阻塞某个（某些）线程，以等待其他多个线程的任务执行完成（以这个说法为准，上面的可以用来对比参考）

下面列出 CountDownLatch 的几个方法：

• 构造方法：public CountDownLatch(int count)，其中count就是我们所说的内部状态（当count=0时，表示到达终止状态，此时会恢复被阻塞的线程）
• 修改状态：public void countDown()，该方法会递减上面的count状态，每执行一次，就-1；（当count=0时，表示到达终止状态，此时会恢复被阻塞的线程）
• 等待：public void await()，该方法会阻塞当前线程，直到count状态变为0，才会恢复执行（除非中断，此时会抛出中断异常）
• 超时等待：public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)，类似上面的await,只不过可以设置超时时间，等过了超时时间，还在阻塞，则直接恢复
• 获取状态值 count：public long getCount()，获取count的数值，以查看还可以递减多少次（多用来调试）

模拟场景的话，这里先列举三个，肯定还有其他的

• 第一个就是计数器了，最直接的
• 第二个就是统计任务执行时长
• 第三个就是多人5V5游戏，等所有人加载完毕，就开始游戏

下面我们以第三个场景为例，写个例子：多人游戏加载画面

public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1. 构造一个倒计数器，给定一个状态值10
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
        System.out.println("准备加载");
      	// 这里我们创建10个线程，模拟 5V5 游戏的10个玩家
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                // 这里我们给点延时，模拟网络延时
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"加载100%");
                // 2. 这里的countDown就是用来改变倒计数器的内部状态，每次-1
                latch.countDown(); //这里不会阻塞当前线程，执行完后就立马返回了
            }).start();
        }
        // 3. 这里阻塞等待状态的完成，即10变为0;
        latch.await();
        System.out.println("所有人加载完成，开始游戏");
    }
}

输出如下：

准备加载
Thread-0加载100%
Thread-1加载100%
Thread-2加载100%
Thread-3加载100%
Thread-4加载100%
Thread-5加载100%
Thread-6加载100%
Thread-8加载100%
Thread-9加载100%
Thread-7加载100%
所有人加载完成，开始游戏

这里倒计数器的作用就是阻塞主线程，以等待其他10个子线程，等到都准备好，再恢复主线程

它的特点就是：一次性使用，达到终止状态后不能再改变

3. 倒计数器升级版 CyclicBarrier【循环栅栏】

循环栅栏，类似倒计数器，也是用来阻塞线程，不过它的重点在于循环使用

而倒计数器只能用一次（这属于他们之间最明显的一个区别）

PS：猜测之所以叫循环栅栏，而不是循环门闩，可能是因为栅栏的作用比门闩更强大，所以叫栅栏更适合吧

官方说法：循环栅栏一般用来表示多个线程之间的相互等待（阻塞）

比如有10个线程，都要await等待；那要等到最后一个线程await时，栅栏才会打开

如果有定义栅栏动作，那么当栅栏打开时，会执行栅栏动作

栅栏动作就是：栅栏打开后需执行的动作，通过构造函数的Runnable参数指定，可选参数，下面会介绍

这个属于循环栅栏和倒计数器的第二个区别：

• 循环栅栏强调的是多个被阻塞线程之间的相互协作关系（等待）
• 而倒计数器强调的是单个（或多个）线程被阻塞，来等待其他线程的任务执行

下面我们看几个循环栅栏 CyclicBarrier 内部的方法：

• 构造方法：public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，第一个表示需等待（阻塞）的线程数，第二个barrierAction就是上面我们说的栅栏动作，即当最后一个线程也被阻塞时，就会触发这个栅栏动作（这个参数可选，如果没有，则不执行任何动作）
• 等待：public int await()，阻塞当前线程，直到最后一个线程被阻塞，才会恢复
• 超时等待：public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)，类似上面的await,只不过可以设置超时时间
• 获取当前等待的线程数：public int getNumberWaiting()，即调用了await方法的线程数量

场景：

• 大事化小，小事合并：就是将某个大任务拆解为多个小任务，等到小任务都完成，再合并为一个结果
• 多人对战游戏团战

上面的倒计数器表示游戏开始前的准备工作（只需准备一次）
而这里的循环栅栏则可以表示游戏开始后的团战工作（可团战多次）

下面看下例子：多人游戏团战画面

public class CyclicBarrierDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        // 1. 创建一个循环栅栏，给定等待线程数10和栅栏动作
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(10,()->{
            // 栅栏动作，等到所有线程都await，就会触发
            System.out.println("=== 人齐了，开始团吧");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println("=== 准备第一波团战 ===");
        // 2. 创建10个线程，模拟10个玩家
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                try {
                    // 玩家到场
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>第一波团，我准备好了");
                    // 等待其他人，等人齐就可以团了（人齐了会执行栅栏动作，此时这边也会恢复执行）
                    barrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        // 3. 查询当前等待都线程数量，如果不为0，则主线程继续等待
        while (barrier.getNumberWaiting()!=0){
            Thread.sleep(1000);
        }
        System.out.println("=== 第一波团战结束 ===");
        
        // 4. 此时还可以进行第二波第三波团战。。。（循环栅栏可循环触发，倒计数器只能触发一次）
        
    }
}

输出如下：

=== 准备第一波团战 ===
Thread-0=>第一波团，我准备好了
Thread-1=>第一波团，我准备好了
Thread-2=>第一波团，我准备好了
Thread-3=>第一波团，我准备好了
Thread-4=>第一波团，我准备好了
Thread-5=>第一波团，我准备好了
Thread-6=>第一波团，我准备好了
Thread-7=>第一波团，我准备好了
Thread-8=>第一波团，我准备好了
Thread-9=>第一波团，我准备好了
=== 人齐了，开始团吧
=== 第一波团战结束 ===

4. 信号量 Semaphore

信号量主要是用来控制多个线程同时访问指定资源，比如数据库连接池，超过指定数量，就阻塞等待

下面我们介绍下信号量的几个关键方法：

• 构造方法：public Semaphore(int permits, boolean fair),第一个参数为许可数，即允许同时访问的的线程数，第二个参数为公平还是非公平模式（默认非公平）

公平模式，谁先调用acquire，谁就先访问资源，FIFO先进先出
非公平模式，允许插队，如果某个线程刚释放了许可，另一个线程就调用了acquire，那么这个线程就会插队访问资源）

• 获取许可：public void acquire()，如果有许可，则直接返回，并将许可数递减1；如果没可用的许可，就阻塞等待，或者被中断
• 尝试获取许可：public boolean tryAcquire()，类似上面的acquire，但是不会被阻塞和中断，因为如果没有可用的许可，则直接返回false
• 释放许可：public void release() ，释放一个许可，并将许可数递增1
• 获取可用的许可数量：public int availablePermits() ，这个方法一般用来调试

场景：数据库连接池

信号量的特点就是可重复使用许可，所以像数据库连接池这种场景就很适合了

这里就不举例子了，就是多个线程acquire和release，获取许可时，如果没有就阻塞，如果有就立即返回

5.区别

用表格看比较方便点

可以看到，倒计数器主要是用来表示单个线程等待多个线程，而循环栅栏主要是用来表示多个线程之间的相互等待

总结

1. 什么是并发工具：并发工具是一组工具类，主要是用来控制线程的执行流程，比如阻塞某个线程，以等待其他线程
2. 倒计数器 CountDownLatch：用来表示阻塞某个（某些）线程，以等待其他多个线程的任务执行完成
3. 循环栅栏 CyclicBarrier：用来表示多个线程之间的相互等待协作（阻塞）
4. 信号量 Semaphore：用来表示允许同时访问指定资源的许可数（线程数）
5. 区别：

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后记

学习之路，真够长，共勉之。

写在最后：永远要相信登峰造极境，也永远要记得我们是永远的学徒。只因学无止境。