java多线程之线程通信工具类
一、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工具类则提供了在线程间交换数 据的一种手段。
它们都在java.util.concurrent包下。先总体概括⼀下都有哪些⼯具类，它们有什么 作⽤，然后再分别介绍它们的主要使⽤⽅法和原理
二、控制并发线程数的Semaphore
锁作为线程通信的一种方式，本质上锁的目的是保护一种受限资源，保证同一时刻只有一个线程能访问（ReentrantLock），或者只有一个线程能写入（ReadWriteLock）。
还有一种受限资源，它需要保证同一时刻最多有N个线程能访问，比如同一时刻最多创建100个数据库连接，最多允许10个用户下载等。
这种限制数量的锁，如果用Lock数组来实现，就太麻烦了。这种情况就可以使用Semaphore。
Semaphore 信号量维护了一个许可集,每次使用时执行acquire()从Semaphore获取许可，如果没有则会阻塞，每次使用完执行release()释放许可。
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
案例1：最多允许3个线程同时访问：
public class SemaphoreDemo {
static class MyThread implements Runnable {
private int value;
private Semaphore semaphore;
public MyThread(int value, Semaphore semaphore) {
this.value = value;
this.semaphore = semaphore;
}
@Override
public void run() {
try {
semaphore.acquire(); // 获取permit
System.out.println("当前线程" + value+"还剩资源数" + semaphore.availablePermits()+"还有" + semaphore.getQueueLength());
// 睡眠随机时间，打乱释放顺序
Random random = new Random();
Thread.sleep(random.nextInt(1000));
semaphore.release(); // 释放permit
System.out.println(String.format("线程%d释放了资源", value));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new MyThread(i, semaphore)).start();
}
}
}案例2：结合线程池访问
public class SemaphoreTest {
private static final int THREAD_COUNT = 30;
private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
private static Semaphore s = new Semaphore(10);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i< THREAD_COUNT; i++) {
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
s.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"saving data");
Thread.sleep(2000L);
s.release();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
}在代码中，虽然有30个线程在执行，但是只允许10个并发执行。Semaphore的构造方法 Semaphore（int permits）接受一个整型的数字，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 用tryAcquire()方法尝试获取许可证.
Semaphore本质上就是一个信号计数器，用于限制同一时间的最大访问数量。最主要的⽅法是acquire⽅法和release⽅法。acquire()⽅法会申请⼀个permit，⽽ release⽅法会释放⼀个permit。当然，你也可以申请多个acquire(int permits)或者 释放多个release(int permits)。 每次acquire，permits就会减少⼀个或者多个。如果减少到了0，再有其他线程来 acquire，那就要阻塞这个线程直到有其它线程release permit为⽌。
其他方法 Semaphore还提供一些其他方法，具体如下。
- intavailablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数。
- intgetQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数。
- booleanhasQueuedThreads()：是否有线程正在等待获取许可证。
- void reducePermits（int reduction）：减少reduction个许可证，是个protected方法。
- Collection getQueuedThreads()：返回所有等待获取许可证的线程集合，是个protected方 法。
Semaphore实现原理：内部有⼀个继承了AQS的同步器Sync，重写了 tryAcquireShared ⽅ 法。在这个⽅法⾥，会去尝试获取资源。 如果获取失败（想要的资源数量⼩于⽬前已有的资源数量），就会返回⼀个负数 （代表尝试获取资源失败）。然后当前线程就会进⼊AQS的等待队列
三、线程间交换数据的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 exchange方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange()方法，它会一直等待第二个线程也 执行exchange方法，当两个线程都到达同步点时，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。它⽀持泛型，也就是说你可以在两个线程之 间传送任何数据。先来⼀个案例看看如何使⽤，⽐如两个线程之间想要传送字符 串：
使用场景：两个线程相互等待处理结果并进行数据传递。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Exchanger exchanger = new Exchanger<>();
new Thread(() -> {
try {
System.out.println("这是线程A，得到了另⼀个线程的数据："
+ exchanger.exchange("这是来⾃线程A的数据"));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
System.out.println("这个时候线程A是阻塞的，在等待线程B的数据");
Thread.sleep(1000);
new Thread(() -> {
try {
System.out.println("这是线程B，得到了另⼀个线程的数据："
+ exchanger.exchange("这是来⾃线程B的数据"));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
} 输出
这个时候线程A是阻塞的，在等待线程B的数据
这是线程B，得到了另⼀个线程的数据：这是来⾃线程A的数据
这是线程A，得到了另⼀个线程的数据：这是来⾃线程B的数据可以看到，当⼀个线程调⽤exchange⽅法后，它是处于阻塞状态的，只有当另⼀ 个线程也调⽤了exchange⽅法，它才会继续向下执⾏。看源码可以发现它是使⽤ park/unpark来实现等待状态的切换的，但是在使⽤park/unpark⽅法之前，使⽤了 CAS检查，估计是为了提⾼性能。 Exchanger⼀般⽤于两个线程之间更⽅便地在内存中交换数据，因为其⽀持泛型， 所以我们可以传输任何的数据，⽐如IO流或者IO缓存。根据JDK⾥⾯的注释的说 法，可以总结为⼀下特性：
- 此类提供对外的操作是同步的；
- ⽤于成对出现的线程之间交换数据；
- 可以视作双向的同步队列；
- 可应⽤于基因算法、流⽔线设计等场景。
Exchanger可以用于遗传算法，遗传算法里需要选出两个人作为交配对象，这时候会交换 两人的数据，并使用交叉规则得出2个交配结果。Exchanger也可以用于校对工作，比如我们需 要将纸制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
public class ExchangerTest {
private static final Exchangerexgr = new Exchanger();
private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
public static void main(String[] args) {
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
String A = "银行流水A"; // A录入银行流水数据
exgr.exchange(A);
} catch (InterruptedException e) {
}
}
});
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
String B = "银行流水B"; // B录入银行流水数据
String A = exgr.exchange("B");
System.out.println("A和B数据是否一致：" + A.equals(B) + "，A录入的是："
+ A + "，B录入是：" + B);
} catch (InterruptedException e) {
}
}
});
threadPool.shutdown();
}
} Exchanger只能是两个线程交换数据吗？那三个调⽤同⼀个实例的 exchange⽅法会发⽣什么呢？答案是只有前两个线程会交换数据，第三个线程会 进⼊阻塞状态。 需要注意的是，exchange是可以重复使⽤的。也就是说。两个线程可以使⽤ Exchanger在内存中不断地再交换数据。
如果两个线程有一个没有执行exchange()方法，则会一直等待，如果担心有特殊情况发 生，避免一直等待，可以使用exchange（V x，longtimeout，TimeUnit unit）设置最大等待时长
四、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。 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
public class JoinCountDownLatchTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
});
Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("parser2 finish");
}
});
parser1.start();
parser2.start();
parser1.join();
parser2.join();
System.out.println("all parser finish");
}
}join用于让当前执行线程等待join线程执行结束。其实现原理是不停检查join线程是否存 活，如果join线程存活则让当前线程永远等待。其中，wait（0）表示永远等待下去
直到join线程中止后，线程的this.notifyAll()方法会被调用，调用notifyAll()方法是在JVM里 实现的，所以在JDK里看不到
在JDK 1.5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
public class CountDownLatchTest {
static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(1);
c.countDown();
System.out.println(2);
c.countDown();
}
}).start();
c.await();
System.out.println("3");
}
}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变成零。由于countDown方法可以用在任何地方，所以这里说的N个 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。
如果有某个解析sheet的线程处理得比较慢，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——await（long time，TimeUnit unit），这个方法等待特定时 间后，就会不再阻塞当前线程。join也有类似的方法
注意 计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是零，调用await方法时不会 阻塞当前线程。CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数 器的值。一个线程调用countDown方法happen-before，另外一个线程调用await方法。
CountDownLatch的⽅法也很简单，如下：
// 构造⽅法：
public CountDownLatch(int count)
public void await() // 等待
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) // 超时等待
public void countDown() // count - 1
public long getCount() // 获取当前还有多少count
案例1：在某些业务场景中，程序执行需要等待某个条件完成后才能继续执行后续的操作。典型的应用为并行计算：当某个处理的运算量很 大时，可以将该运算任务拆分成多个子任务，等待所有的子任务都完成之后，父任务再拿到所有子任务的运算结果进行汇总
调用ExecutorService类的shutdown()方法，并不会第一时间内把所有线程全部都销毁掉，而是让当前已有的线程全部执行完，之 后，再把线程池销毁掉
代码如下
public class CountDownLatchExample {
private static final int threadCount = 200;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
exec.execute(() -> {
try {
test(threadNum);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
countDownLatch.countDown();
}
});
}
countDownLatch.await();
System.out.println(">>>finish");
exec.shutdown();
}
private static void test(int threadNum) throws InterruptedException {
Thread.sleep(100);
System.out.println(threadNum);
Thread.sleep(100);
}
}支持给定时间等待的示例代码如下
public class CountDownLatchExample {
private static final int threadCount = 200;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++){
final int threadNum = i;
exec.execute(() -> {
try {
test(threadNum);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
countDownLatch.countDown();
}
});
}
countDownLatch.await(10, TimeUnit.MICROSECONDS);
System.out.println(">>> finish");
exec.shutdown();
}
private static void test(int threadNum) throws InterruptedException {
Thread.sleep(100);
System.out.println(threadNum);
}
}案例2：6 个同学陆续离开教室后值班同学才可以关门
public class CountDownLatchDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//定义一个数值为 6 的计数器
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(6);
//创建 6 个同学
for (int i = 1; i <= 6; i++) {
new Thread(() -> {
try {
if (Thread.currentThread().getName().equals("stu 6")) {
Thread.sleep(2000);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "out");//计数器减一,不会阻塞
countDownLatch.countDown();
} catch (Exception
e) {
e.printStackTrace();
}
}, "stu" + i).start();
}
//主线程 await 休息
System.out.println("main thread ......");
countDownLatch.await();
//全部离开后自动唤醒主线程
System.out.println("finish current count" + countDownLatch.getCount());
}
}案例3：玩游戏的时候，在游戏真正开始之前，⼀般会等待⼀些前置任务完成， ⽐如“加载地图数据”，“加载⼈物模型”，“加载背景⾳乐”等等。只有当所有的东⻄都 加载完成后，玩家才能真正进⼊游戏。下⾯我们就来模拟⼀下这个demo
public class CountDownLatchDemo {
// 定义前置任务线程
static class PreTaskThread implements Runnable {
private String task;
private CountDownLatch countDownLatch;
public PreTaskThread(String task, CountDownLatch countDownLatch) {
this.task = task;
this.countDownLatch = countDownLatch;
}
@Override
public void run() {
try {
Random random = new Random();
Thread.sleep(random.nextInt(1000));
System.out.println(task + " - 完成任务");
countDownLatch.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
// 假设有三个模块需要加载
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
// 主任务
new Thread(() -> {
try {
System.out.println("等待数据加载...");
System.out.println(String.format("还有%d个前置任务", countDownLatch.getCount()));
countDownLatch.await();
System.out.println("数据加载完成正式开始任务！");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 前置任务
new Thread(new PreTaskThread("加载地图数据", countDownLatch)).start();
new Thread(new PreTaskThread("加载人物模型", countDownLatch)).start();
new Thread(new PreTaskThread("加载背景音乐", countDownLatch)).start();
}
}其实CountDownLatch类的原理挺简单的，内部同样是⼀个基层了AQS的实现类 Sync，且实现起来还很简单，可能是JDK⾥⾯AQS的⼦类中最简单的实现了，有兴 趣的读者可以去看看这个内部类的源码。 需要注意的是构造器中的计数值（count）实际上就是闭锁需要等待的线程数量。 这个值只能被设置⼀次，⽽且CountDownLatch没有提供任何机制去重新设置这个 计数值。
五、同步屏障CyclicBarrier
1、CyclicBarrirer概述
CyclicBarrirer从名字上来理解是“循环的屏障”的意思。前⾯提到了 CountDownLatch⼀旦计数值 count 被降为0后，就不能再重新设置了，它只能起 ⼀次“屏障”的作⽤。⽽CyclicBarrier拥有CountDownLatch的所有功能，还可以使 ⽤ reset() ⽅法重置屏障。
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
2、CountDownLatch和CyclicBarrier区别
CountDownLatch和CyclicBarrier都是juc下的并发工具类，二者功能在处理某些事情下看着很相似：都是阻塞线程，但是如果细品和查看源码的话会发现二者之间还是有区别的：
CountDownLatch的作用很简单，就是一个或者一组线程在开始执行操作之前，必须要等到其他线程执行完才可以。我们举一个例子来说明，在考试的时候，老师必须要等到所有人交了试卷才可以走。此时老师就相当于等待线程，而学生就好比是执行的线程。CyclicBarrier同样是等待其他线程都完成了，才可以进行下一步操作，我们再举一个例子，在打王者的时候，在开局前所有人都必须要加载到100%才可以进入，否则所有玩家都相互等待。
都是使用计数器实现，当某个线程调用了CyclicBarrier的await()方法后，该线程就进入了等待 状态，而且计数器执行加1操作，当计数器的值达到了设置的初始值，调用await()方法进入等待状态的线程会被唤醒，继续执行各自 后续的操作。CyclicBarrier在释放等待线程后可以重用，所以，CyclicBarrier又被称为循环屏障
CountDownLatch主要是阻塞主线程，等待多线程执行完成之后再执行主线程await之后的代码片段，侧重点是主线程等待子线程（多线程）完成之后被唤醒。
CyclicBarrier主要是每个多线程在某一刻阻塞，然后各个多线程之间相互等待，直到最后一个多线程被阻塞，然后冲破栅栏，各自执行自己await()之后的代码段（另一个写法是用两个参数的构造去共完成另一个Runnable任务），侧重点是多线程之间的相互等待。
CountDownLatch是主线程被多线程阻塞，直到多线程执行完成才被唤醒继续执行，所以更关注主线程等待多线程执行完成再继续执行的场景；
CyclicBarrier是多线程各自被阻塞在栅栏前，是多线程之间的相互等待，直到全部的多线程全部执行完成，然后并发的去共同做某件事，比如：赛跑比赛的时候，需要等所有运动员都准备完成之后，才能开始进行比赛。
另外，CountDownLatch是一次性，而CyclicBarrier是可重复利用的（查看源码可以发现当最后一道栅栏被冲破之后，如果还需要用到的话会重新new Generation栅栏对象）
3、CyclicBarrier Barrier被破坏
CyclicBarrier还提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以获得Cyclic-Barrier 阻塞的线程数量，如果在参与者（线程）在等待的过程中，Barrier被破坏，就会抛出 BrokenBarrierException。可以⽤ isBroken() ⽅法检测Barrier是否被破坏。
1. 如果有线程已经处于等待状态，调⽤reset⽅法会导致已经在等待的线程出现 BrokenBarrierException异常。并且由于出现了BrokenBarrierException，将会 导致始终⽆法等待。
2. 如果在等待的过程中，线程被中断，也会抛出BrokenBarrierException异常， 并且这个异常会传播到其他所有的线程。
3. 如果在执⾏屏障操作过程中发⽣异常，则该异常将传播到当前线程中，其他线 程会抛出BrokenBarrierException，屏障被损坏。
4. 如果超出指定的等待时间，当前线程会抛出 TimeoutException 异常，其他线 程会抛出BrokenBarrierException异常。
4、CyclicBarrirer案例
案例1：
public class CyclicBarrierTest {
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(1);
}
}).start();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(2);
}
}因为主线程和子线程的调度是由CPU决定的，两个线程都有可能先执行，所以会产生两种 输出2 1或者1 2
如果把new CyclicBarrier(2)修改成new 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还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier（int parties，Runnable barrierAction），用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景
public class CyclicBarrierTest2{
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(1);
}
}).start();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(2);
}
static class A implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println(3);
}
}
}因为CyclicBarrier设置了拦截线程的数量是2，所以必须等代码中的第一个线程和线程A 都执行完之后，才会继续执行主线程，然后输出2
案例2：如果玩⼀个游戏有多个“关卡”，那使⽤ CountDownLatch显然不太合适，那需要为每个关卡都创建⼀个实例。那我们可以 使⽤CyclicBarrier来实现每个关卡的数据加载等待功能
public class CyclicBarrierDemo{
static class PreTaskThread implements Runnable {
private String task;
private CyclicBarrier cyclicBarrier;
public PreTaskThread(String task, CyclicBarrier cyclicBarrier) {
this.task = task;
this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
}
@Override
public void run() {
// 假设总共三个关卡
for (int i = 1; i < 4; i++) {
try {
Random random = new Random();
Thread.sleep(random.nextInt(1000));
System.out.println(String.format("关卡%d的任务%s完成", i, task));
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
cyclicBarrier.reset(); // 重置屏障
}
}
}
public static void main(String[] args) {
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
System.out.println("本关卡所有前置任务完成，开始游戏...");
});
new Thread(new PreTaskThread("加载地图数据", cyclicBarrier)).start();
new Thread(new PreTaskThread("加载⼈物模型", cyclicBarrier)).start();
new Thread(new PreTaskThread("加载背景⾳乐", cyclicBarrier)).start();
}
}关卡1的任务加载地图数据完成
关卡1的任务加载背景⾳乐完成
关卡1的任务加载⼈物模型完成
本关卡所有前置任务完成，开始游戏...
关卡2的任务加载地图数据完成
关卡2的任务加载背景⾳乐完成
关卡2的任务加载⼈物模型完成
本关卡所有前置任务完成，开始游戏...
关卡3的任务加载⼈物模型完成
关卡3的任务加载地图数据完成
关卡3的任务加载背景⾳乐完成
本关卡所有前置任务完成，开始游戏...注意这⾥跟CountDownLatch的代码有⼀些不同。CyclicBarrier没有分 为 await() 和 countDown() ，⽽是只有单独的⼀个 await() ⽅法。
⼀旦调⽤await()⽅法的线程数量等于构造⽅法中传⼊的任务总量（这⾥是3），就 代表达到屏障了。CyclicBarrier允许我们在达到屏障的时候可以执⾏⼀个任务，可 以在构造⽅法传⼊⼀个Runnable类型的对象。上述案例就是在达到屏障时，输出 “本关卡所有前置任务完成，开始游戏...”。
// 构造⽅法
public CyclicBarrier(int parties) {
this(parties, null);
}
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
// 具体实现
}案例3：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保存一个账户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用这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流 水
public class BankWaterService implements Runnable {
/**
* 创建4个屏障，处理完之后执行当前类的run方法
*/
private CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(4, this);
/**
* 假设只有4个sheet，所以只启动4个线程
*/
private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
/**
* 保存每个sheet计算出的银流结果
*/
private ConcurrentHashMap sheetBankWaterCount = new
ConcurrentHashMap();
private void count() {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 计算当前sheet的银流数据，计算代码省略
sheetBankWaterCount
.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
// 银流计算完成，插入一个屏障
try {
c.await();
} catch (InterruptedException |
BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
@Override
public void run() {
int result = 0;
// 汇总每个sheet计算出的结果
for (Map.Entry sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
result += sheet.getValue();
}
// 将结果输出
sheetBankWaterCount.put("result", result);
System.out.println(result);
}
public static void main(String[] args) {
BankWaterService bankWaterCount = new BankWaterService();
bankWaterCount.count();
}
} 使用线程池创建4个线程，分别计算每个sheet里的数据，每个sheet计算结果是1，再由 BankWaterService线程汇总4个sheet计算出的结果，案例也可以看出在声明CyclicBarrier的时候，还可以指定一个Runnable，当线程达到屏障的时候，可以优先执行Runnable中的方法
public class CyclicBarrierExample {
private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
log.info("callback is running");
});
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++){
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
executorService.execute(() -> {
try {
race(threadNum);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
executorService.shutdown();
}
private static void race(int threadNum) throws Exception{
Thread.sleep(1000);
log.info("{} is ready", threadNum);
cyclicBarrier.await();
log.info("{} continue", threadNum);
}
}CyclicBarrier原理
CyclicBarrier虽说功能与CountDownLatch类似，但是实现原理却完全不同， CyclicBarrier内部使⽤的是Lock + Condition实现的等待/通知模式。详情可以查看 这个⽅法的源码：
private int dowait(boolean timed, long nanos)
六、Phaser
Phaser类有点复杂，这⾥只介绍⼀些基本的⽤法和知识点。详情可以查看JDK⽂ 档，⽂档⾥有这个类⾮常详尽的介绍。 前⾯我们介绍了CyclicBarrier，可以发现它在构造⽅法⾥传⼊“任务总 量” parties 之后，就不能修改这个值了，并且每次调⽤ await() ⽅法也只能消耗 ⼀个 parties 计数。但Phaser可以动态地调整任务总量！
名词解释：
- party：对应⼀个线程，数量可以通过register或者构造参数传⼊;
- arrive：对应⼀个party的状态，初始时是unarrived，当调 ⽤ arriveAndAwaitAdvance() 或者 arriveAndDeregister() 进⼊arrive状态，可 以通过 getUnarrivedParties() 获取当前未到达的数量;
- register：注册⼀个party，每⼀阶段必须所有注册的party都到达才能进⼊下⼀ 阶段;
- deRegister：减少⼀个party
- phase：阶段，当所有注册的party都arrive之后，将会调⽤Phaser 的 onAdvance() ⽅法来判断是否要进⼊下⼀阶段。
Phaser终⽌的两种途径，Phaser维护的线程执⾏完毕或者 onAdvance() 返回 true 此外Phaser还能维护⼀个树状的层级关系，构造的时候new Phaser(parentPhaser)，对于Task执⾏时间短的场景（竞争激烈），也就是说有⼤ 量的party, 那可以把每个Phaser的任务量设置较⼩，多个Phaser共同继承⼀个⽗ Phaser。
还是游戏的案例。假设我们游戏有三个关卡，但只有第⼀个关卡有新⼿教程，需要 加载新⼿教程模块。但后⾯的第⼆个关卡和第三个关卡都不需要。我们可以⽤ Phaser来做这个需求
public class PhaserDemo{
static class PreTaskThread implements Runnable {
private String task;
private Phaser phaser;
public PreTaskThread(String task, Phaser phaser) {
this.task = task;
this.phaser = phaser;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 1; i < 4; i++) {
try {
// 第⼆次关卡起不加载NPC，跳过
if (i >= 2 && "加载新⼿教程".equals(task)) {
continue;
}
Random random = new Random();
Thread.sleep(random.nextInt(1000));
System.out.println(String.format("关卡%d，需要加载%d个模块，当前 ",i, phaser.getRegisteredParties(), task));
// 从第⼆个关卡起，不加载NPC
if (i == 1 && "加载新⼿教程".equals(task)) {
System.out.println("下次关卡移除加载【新⼿教程】模块");
phaser.arriveAndDeregister(); // 移除⼀个模块
} else {
phaser.arriveAndAwaitAdvance();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Phaser phaser = new Phaser(4) {
@Override
protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {
System.out.println(String.format("第%d次关卡准备完成", phase + 1));
return phase == 3 || registeredParties == 0;
}
};
new Thread(new PreTaskThread("加载地图数据", phaser)).start();
new Thread(new PreTaskThread("加载⼈物模型", phaser)).start();
new Thread(new PreTaskThread("加载背景⾳乐", phaser)).start();
new Thread(new PreTaskThread("加载新⼿教程", phaser)).start();
}
}
关卡1，需要加载4个模块，当前模块【加载背景⾳乐】
关卡1，需要加载4个模块，当前模块【加载新⼿教程】
下次关卡移除加载【新⼿教程】模块
关卡1，需要加载3个模块，当前模块【加载地图数据】
关卡1，需要加载3个模块，当前模块【加载⼈物模型】
第1次关卡准备完成
关卡2，需要加载3个模块，当前模块【加载地图数据】
关卡2，需要加载3个模块，当前模块【加载背景⾳乐】
关卡2，需要加载3个模块，当前模块【加载⼈物模型】
第2次关卡准备完成
关卡3，需要加载3个模块，当前模块【加载⼈物模型】
关卡3，需要加载3个模块，当前模块【加载地图数据】
关卡3，需要加载3个模块，当前模块【加载背景⾳乐】
第3次关卡准备完成这⾥要注意关卡1的输出，在“加载新⼿教程”线程中调⽤ 了 arriveAndDeregister() 减少⼀个party之后，后⾯的线程使 ⽤ getRegisteredParties() 得到的是已经被修改后的parties了。但是当前这个阶段 (phase)，仍然是需要4个parties都arrive才触发屏障的。从下⼀个阶段开始，才需 要3个parties都arrive就触发屏障。 另外Phaser类⽤来控制某个阶段的线程数量很有⽤，但它并在意这个阶段具体有哪 些线程arrive，只要达到它当前阶段的parties值，就触发屏障。所以我这⾥的案例 虽然制定了特定的线程（加载新⼿教程）来更直观地表述Phaser的功能，但是其实 Phaser是没有分辨具体是哪个线程的功能的，它在意的只是数量，这⼀点需要注意。
Phaser类的原理
Phaser类的原理相⽐起来要复杂得多。它内部使⽤了两个基于Fork-Join框架的原 ⼦类辅助：
private final AtomicReference evenQ;
private final AtomicReference oddQ;
static final class QNode implements ForkJoinPool.ManagedBlocker {
// 实现代码
}
总的来说，CountDownLatch，CyclicBarrier，Phaser是⼀个⽐⼀个强⼤，但也⼀ 个⽐⼀个复杂。根据⾃⼰的业务需求合理选择即可