JUC并发编程 07——Java中的并发工具类

目录

一.等待多线程完成的 CountDownLatch

join

CountDownLatch 

二.同步屏障 CyclicBarrier

三.CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的区别

四.控制并发线程数的 Semaphore

应用场景

Semaphore实现原理

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一.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。

join

假如有这样一个需求：我们需要解析一个 Excel 里多个 sheet（表）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 都解析完之后，程序需要提示解析完成。在这个需求中，要实现主线程等待所有线程完成 sheet 的解析操作，最简单的做法是使用 join() 方法。

join()方法的原理     

主要两点，线程如何被阻塞，线程又是如何被唤醒

join()方法是Thread类中的，所以我们可以直接查看源码，找到join()方法，如下：

调用了另一个重载方法，参数为 0，继续看

从源码来看，实际上join方法就是调用了wait方法来使得线程阻塞，一直到线程结束运行。注意到，join方法前的synchronized修饰符，它相当于：

public final void join(long millis){
 synchronized(this){
        //代码块
    }
}

也就是说加锁的对象即调用这个锁的线程对象，在main()方法中即为parser1/parser2，持有这个锁的是主线程即main()方法，也就是说代码相当于如下：

//parser1.join()前的代码
synchronized (parser1) {
 // 调用者线程进入 parser1 的 waitSet 等待, 直到 parser1 运行结束
 while (parser1.isAlive()) {
   parser1.wait(0);
 }
}
//parser1.join()后的代码

也因此主线程进入等待队列，直到 parser1 线程结束。wait 方法被调用以后，是让持有锁的线程进入等待队列，即主线程，因此 parser1  线程并不会被阻塞。

那么问题在于，这里只看到了wait方法，却并没有看到 notify 或者是 notifyAll 方法，那么主线程在那里被唤醒呢？

唤醒进程的方法位于jvm中，在线程（调用join方法的线程）结束后，会调用该方法，最后唤醒主线程。

CountDownLatch 

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。

CountDownLatch 的构造函数接收一个 int 类型的参数作为计数器，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 就会减 1，CountDownLatch 的 await 方法会阻塞当前线程，直到 N 变成 0。由于 countDown 方法可以用在任何地方，所以这里说的 N 哥点，可以是 N 个线程，也可以是 1 个线程里的 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。

二.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。

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。假设parties为 3，如果第 3 个线程没有到达屏障，那么之前到达屏障的 2 个线程都不会继续执行。

CyclicBarrier 还提供了一个更高级的构造函数 CyclicBarrier (int parties, Runnable barrierAction)，当所有的线程到达屏障时，优先执行 barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。

三.CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的区别

• 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，可以使用多次，所以CyclicBarrier能够处理更为复杂的场景；
• CyclicBarrier还提供了一些其他有用的方法，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；
• CountDownLatch允许一个或多个线程等待一组事件的产生，而CyclicBarrier用于等待其他线程运行到栅栏位置。

四.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。

应用场景

Semaphore 可以用于做流量控制，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地读取，但是如果读到内存后，还需要存储到数据库中，而数据库的连接数只有10个，这时我们必须控制只有10个线程同时获取数据库连接保存数据，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。

• Semaphore(int permits)：表示允许permits个线程获取许可证，也就是最大并发数是permits。
• acquire()：获取一个许可证，在 获取到许可证 或者 被其他线程调用中断 之前线程一直处于阻塞状态
• release()：归还许可证
• tryAcquire()：尝试获得许可证，返回获取许可证成功或失败，不阻塞线程
• availablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数量
• getQueueLength()：获取等待队列里阻塞的线程数
• hasQueuedThreads()：等待队列里是否还存在等待线程

Semaphore实现原理

①Semaphore初始化

Semaphore semaphore=new Semaphore(2);

当调用new Semaphore(permits) 方法时，默认会创建一个非公平的锁的同步阻塞队列。把初始令牌数量赋值给同步队列的state状态，state的值就代表当前所剩余的令牌数量。

初始化完成后同步队列信息如下图：

②获取许可证

semaphore.acquire();

1. 当前线程会尝试去同步队列获取一个许可证，获取许可证的过程也就是使用原子的操作去修改同步队列的state，获取一个令牌则修改为state=state-1。
2. 当计算出来的state<0，则代表令牌数量不足，此时会创建一个Node节点加入阻塞队列，挂起当前线程。
3. 当计算出来的state>=0，则代表获取令牌成功。

③释放许可证

semaphore.release();

1. 线程会尝试释放一个许可证，释放许可证的过程也就是把同步队列的state修改为state=state+1的过程
2. 释放许可证成功之后，同时会唤醒同步队列中的一个线程。
3. 被唤醒的节点会重新尝试去修改state=state-1 的操作，如果state>=0则获取令牌成功，否则重新进入阻塞队列，挂起线程。