Java中的并发工具类

概述

在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore工具类提供了一种并发流程控制的手段，Exchanger工具类提供了在线程间交换数据的一种方法。本章会配合一些应用场景来介绍如何使用这些工具类。

等待多线程完成的CountDownLatch

CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

类别场景

可以把CountDownLatch使用比作一个导游带队的场景，只有所有队员都到齐了，导游才能宣布去下一个景点。

示例

假如有这样一个需求：我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完成之后，程序需要提示解析完成。
在JDK1.5之后的并发包中提供的CountDownLatch也可以实现join的功能，并且比join的功能更多，如下所示：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(1);
                countDownLatch.countDown();
                System.out.println(2);
                countDownLatch.countDown();
            }
        }).start();
        countDownLatch.await();
        System.out.println(3);
    }

CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计算器，如果你想等待N个点完成，这里就传入N。
当我们调用CountDownLatch的countDown方法时，N就减1，CountDownLatch的await方法会阻塞当前线程，指定N变成零。由于countDown方法可以用在任何地方，所有这里说的N个点，可以是N个线程，也可以是1个线程的N个执行步骤。用在多个线程时，只需要把这个CountDownLatch的引用传递到线程里即可。
如果某个解析sheet的线程处理的比较慢，我们不可能让主线程一直等待，所以可以使用另外一个带指定时间的await方法一一await(long time, TimeUnit unit)，这个方法等待特定时间后，就会不再阻挡当前线程。join也有类似的方法。

同步屏障CyclicBarrier

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运行。

类比场景

可以想象一下，多个人等红灯的场景，红灯就是Barrier，假如10个人要过红绿灯，每个人到红绿灯前面时都要等待红灯变绿，恰巧当10个人都到齐是红灯变绿了，所有人就可以继续走了。

CyclicBarrier简介

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。示例代码如下：

public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(2);
        new Thread(() -> {
            try {
                cyclicBarrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(1);
        }).start();
        try {
            cyclicBarrier.await();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(2);
    }

因为主线程和子线程的调度是有CPU决定的，两个线程都有可能先执行，所以会产生两种输出，第一种可能是1,2；第二种是2,1。
如果把new CyclicBarrier(2)改成CyclicBarrier(3)，则主线程和子线程会永远等待，因为没有第三个线程执行await方法，即没有第三个线程到达屏障，所以之前到达屏障的两个线程都不会继续执行。
CyclicBarrier还提供了一个高级的构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于在所有线程都到达屏障时，优先执行barrierAction，CyclicBarrier使用BarrierAction只是说明所有线程已经到达屏障了，然后CyclicBarrier执行barrierAction任务，最后线程在各自继续执行。这个构造方法方便处理更复杂的业务场景。
代码示例：

 public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());
        new Thread(() -> {
            try {
                c.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(2);
        }).start();
        try {
            c.await();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(1);
    }

    static class A implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(3);
        }
    }

执行结果：

3
1
2

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场景。例如，用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个账号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汇总这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水，代码如下：

 public static void main(String[] args) {
        BankWaterService bankWaterService = new BankWaterService();
        bankWaterService.count();
    }

    static class BankWaterService implements Runnable {
        private final CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(4, this);
        private final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
        private final ConcurrentHashMap<String, Integer> sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap<>();

        private void count() {
            for (int i = 0; i < 4; i++) {
                executor.execute(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
                        try {
                            c.await();
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                        } catch (Exception e) {
                        }
                    }
                });
           }
        }

        @Override
        public void run() {
            int result = 0;
            for (Map.Entry<String, Integer> sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
                result += sheet.getValue();
            }
            System.out.println(result);
            executor.shutdownNow();
        }
    }

输出结果：

4
pool-1-thread-1
pool-1-thread-3
pool-1-thread-4
pool-1-thread-2

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

• 使用的场景不一样，CyclicBarrier阻塞每个线程（每个线程都等待最后一个线程到达屏障），像分布式问题，屏障清除了，每个线程可以继续做自己的事情；CountDownLatch阻塞等待线程（等待线程等待其他线程完成）向集中式的，最后由等待线程统一处理。
• CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景。例如，如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程重弄下执行一次。
• CyclicBarrier还提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量。isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断。

控制并发线程数的Semaphore

Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。
仅仅从字面上很难理解Semaphore所表达的含义，可以把它比作停车场控制流量的指示灯。比如停车场的容量是1000，只允许同时有一千辆车在这个停车场，其他的都必须在入口等待，所以前一千辆车会看到绿灯，可进入停车场，当停车场停满后指示灯变红，其他车不能进入停车场。但是如果前一千辆车有10辆已经离开了停车场，那么后面的10辆车就允许进入停车场。这个例子里说的车就是线程，进入停车场表示线程在执行，离开停车场表示线程执行完成，看见红灯表示线程被阻塞，不能执行。

应用场景

Semaphore可以做流量控制，特别是公用资源有限的应用场景，比如数据库连接。
假如有一个需求，要读取几万个文件的数据，因为都是IO密集型任务，我们可以启动几十个线程并发的读取，但是如果读到内存后，还需要存储到数据库中，而数据库连接数只有10个，这是我们必须控制只有10个线程同时获取数据库连接保持数据，否则会报错无法获取数据库连接。这个时候，就可以使用Semaphore来做流量控制。

private static final int THREAD_COUNT = 30;
    private static final ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
    private static final Semaphore s = new Semaphore(10);
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    s.acquire();
                    System.out.println("save data");
                    s.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

上面代码中，虽然有30个线程在执行，但是只允许10个线程并发执行。Semaphore的构造方法Semaphore(int permits)接收一个整型的数组，表示可用的许可证数量。Semaphore(10)表示允许10个线程获取许可证，也就是最大并发数是10。Semaphore的用法也很简单，首先线程使用Semaphore的acquire()方法获取一个许可证，使用完之后调用release()方法归还许可证。还可以使用tryAcquire()方法尝试获取许可证。
还有其他一下方法，这里暂不介绍了。

线程间交互数据的Exchanger

Exchanger（交换者）是一个用于线程间协作的工具类。Exchanger用于进行线程间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过exhange()方法交换数据，如果第一个线程先执行exhange()方法，它会一直等待第二个线程也执行exchange方法，当两个线程都达到同步点时，这两个线程就可以交换数据，将本线程生产出来的数据传递给对方。

Exchanger应用场景

Exchange可以用于校对工作，比如我们需要将纸质银行流水通过人工的方式录入成电子银行流水，为了避免错误，采用AB岗两人进行录入，录入到Excel之后，系统需要加载这两个Excel，并对两个Excel数据进行校对，看看是否录入一致，代码如下：

private static final Exchanger<String> exgr = new Exchanger<>();
    private static final ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
    public static void main(String[] args) {
        threadPool.execute(() -> {
            String a = "银行流水A";
            String exchange = null;
            try {
                exchange = exgr.exchange(a);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(exchange);
        });

        threadPool.execute(() -> {
            String b = "银行流水B";
            try {
                String exchange = exgr.exchange(b);
                System.out.println("A 录入的是:" + exchange + " B录入的是：" + b);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }

输出结果是：

A 录入的是:银行流水A B录入的是：银行流水B
银行流水B

如果两个线程一个没有执行exchange（）方法，则会一直等待，如果单向特殊情况发生，避免一直等待，可以使用exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)设置最大等待时间。

小结

本章配合一些应用场景介绍JDK提供的几个并发工具类，工作中可以在对应的业务场景中使用这些工具类。