并发编程——JUC并发工具

前言

JUC 是Java并发编程工具类库，提供了一些常用的并发工具，例如锁、信号量、计数器、事件循环、线程池、并发集合等。这些工具可以帮助开发人员简化并发编程的复杂性，提高程序效率和可靠性。

CountDownLatch

CountDownLatch应用

CountDownLatch本身就好像一个计数器，可以等待一个或多个线程完成后再执行，其基于AQS实现。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);

    new Thread(() -> {
        System.out.println("111");
        countDownLatch.countDown();
    }).start();

    new Thread(() -> {
        System.out.println("222");
        countDownLatch.countDown();
    }).start();

    new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("333");
        countDownLatch.countDown();
    }).start();

    // 主线会阻塞在这个位置，直到CountDownLatch的state变为0
    countDownLatch.await();
    System.out.println("main");
}

CountDownLatch核心源码

// CountDownLatch 的有参构造
public CountDownLatch(int count) {
    // 健壮性校验
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    // 构建Sync给AQS的state赋值
    this.sync = new Sync(count);
}

countDown方法，本质就是调用了AQS的释放共享锁操作

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        // 唤醒在AQS队列中排队的线程。
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

// countDownLatch实现的业务
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int c = getState();
        if (c == 0)
            return false;
        // state - 1
        int nextc = c-1;
        // 用CAS赋值
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}
// 如果CountDownLatch中的state已经为0了，那么再次执行countDown跟没执行一样。
// 而且只要state变为0，await就不会阻塞线程。

功能都是AQS提供的，只有tryReleaseShared需要实现的类自己去编写业务。

await方法，调用了AQS提供的获取共享锁并且允许中断的方法

// await方法
public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

// AQS获取共享锁并且允许中断的方法
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // countDownLatch操作
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        // 如果返回的是-1，代表state肯定大于0
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

// CountDownLatch实现的tryAcquireShared
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    // state为0，返回1,。否则返回-1
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

// 让当前线程进到AQS队列，排队去
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 将当前线程封装为Node，并且添加到AQS的队列中
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                // 再次走上面的tryAcquireShared，如果返回的是的1，代表state为0
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    // 会将当前线程和后面所有排队的线程都唤醒。
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

Semaphore

Semaphore应用

Semaphore一般用于流控。比如有一个公共资源，多线程都可以访问时，Semaphore可以当作信号量做限制。每当有一个线程获取连接对象时，对信号量-1，当这个线程归还资源时对信号量+1。如果线程拿资源时，发现Semaphore内部的资源个数为0，就会被阻塞。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    // 声明信号量
    Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
    // 能否去拿资源
    semaphore.acquire();
    // 拿资源处理业务
    System.out.println("main");
    // 归还资源
    semaphore.release();
}

Semaphore核心源码

Semaphore有公平和非公平两种竞争资源的方式。

// 
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

// 设置资源个数，State其实就是信号量的资源个数
Sync(int permits) {
    setState(permits);
}

在调用 acquire 获取资源时也是基于AQS提供的获取共享锁方法。

release就是将state+1，归还资源。

// 两个一起 阿巴阿巴
public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        // 唤醒在AQS中排队的Node，去竞争资源
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

// 信号量实现的归还资源
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        // 拿state
        int current = getState();
        // state + 1
        int next = current + releases;
        // 资源最大值，再+1，变为负数
        if (next < current)
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        // CAS 改一手
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

共享锁在释放资源后，如果头节点为0，无法确认真的没有后继节点。如果头节点为0，需要将头节点的状态修改为-3，当最新拿到锁资源的线程，查看是否有后继节点并且为共享锁，就唤醒排队的线程

CyclicBarrier

CyclicBarrier应用

CyclicBarrier 一般称为栅栏，和CountDownLatch很像。CountDownLatch在操作时，只能使用一次，也就是state变为0之后，就无法再使用了。CyclicBarrier是可以复用的，他的计数器可以归位，然后再处理。而且可以在计数过程中出现问题后，重置当前CyclicBarrier，再次重新操作！

public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    // 声明栅栏
    CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3,() -> {
        System.out.println("开始！");
    });

    new Thread(() -> {
        System.out.println("第一位选手到位");
        try {
            barrier.await();
            System.out.println("第一位往死里跑！");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();

    new Thread(() -> {
        System.out.println("第二位选手到位");
        try {
            barrier.await();
            System.out.println("第二位也往死里跑！");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();

    System.out.println("裁判已经到位");
    barrier.await();
}

CyclicBarrier核心源码

CyclicBarrier没有直接使用AQS，而是使用ReentrantLock，间接的使用AQS

// CyclicBarrier的有参
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {、
    // 健壮性判断！
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    // parties是final修饰的，需要在重置时，使用！
    this.parties = parties;
    // count是在执行await用来计数的。
    this.count = parties;
    // 当计数count为0时 ，先执行这个Runnnable！在唤醒被阻塞的线程
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

线程执行await方法，会对count-1，再判断count是否为0，如果不为0，需要添加到AQS中的ConditionObject的Waiter队列中排队，并park当前线程。如果为0，证明线程到齐，需要执行nextGeneration，会先将Waiter队列中的Node全部转移到AQS的队列中，没有后继节点设置为0。然后重置count和broker标记。等到unlock执行后，每个线程都会被唤醒。

private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException {
    // 相当于synchronized中使用wait和notify
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 里面就是boolean，默认false
        final Generation g = generation;

        // 判断之前栅栏加入线程时，是否有超时、中断等问题，如果有，设置boolean为true，其他线程再进来，直接凉凉
        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();

        if (Thread.interrupted()) {
            breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }


        // 对计数器count--
        int index = --count;
        // 如果--完，是0，代表突破栅栏，干活！
        if (index == 0) {  
            // 默认false
            boolean ranAction = false;
            try {
                // 如果你用的是2个参数的有参构造，说明你传入了任务，index == 0，先执行CyclicBarrier有参的任务
                final Runnable command = barrierCommand;
                if (command != null)
                    command.run();
                // 设置为true
                ranAction = true;
                nextGeneration();
                return 0;
            } finally {
                if (!ranAction)
                    breakBarrier();
            }
        }

        // --完之后，index不是0，代表还需要等待其他线程
        for (;;) {
            try {
                // 如果没设置超时时间。  await()
                if (!timed)
                    trip.await();
                // 设置了超时时间。  await(1,SECOND)
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    breakBarrier();
                    throw ie;
                } else {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }

            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();

            if (g != generation)
                return index;

            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}



// 挂起线程
public final void await() throws InterruptedException {
    // 允许中断
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 添加到队列（不是AQS队列，是AQS里的ConditionObject中的队列）
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        // 挂起当前线程
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
}


// count到0，唤醒所有队列里的线程线程
private void nextGeneration() {
    // 这个方法就是将Waiter队列中的节点遍历都扔到AQS的队列中，真正唤醒的时机，是unlock方法
    trip.signalAll();
    // 重置计数器
    count = parties;
    // 重置异常判断
    generation = new Generation();
}

总结

使用这些工具类时需要注意：

• Semaphore的使用要避免死锁和过度同步导致的性能问题。
• CyclicBarrier在屏障点之后的代码要保证所有线程都能正确执行，否则可能导致部分线程一直等待。
• CountDownLatch的countDown方法要保证在所有线程执行完毕之前被调用，否则可能导致部分线程一直等待。

根据具体的应用场景选择合适的工具类，正确使用并合理设计并发策略，可以提高程序的效率和可靠性。