Java学习——day29（并发控制高级工具与设计模式）

1. 并发控制高级工具简介

1.1 CountDownLatch

• 作用
  CountDownLatch 用于让一个或多个线程等待其他线程完成某些操作。
• 使用方式
  创建时指定计数值，每当某个线程调用 countDown() 后，计数器减一；调用 await() 的线程会阻塞，直到计数器归零。
• 示例场景
  等待所有工作线程启动完毕后，再同时开始执行后续流程。

1.2 CyclicBarrier

• 作用
  CyclicBarrier 用于让一组线程在某一点汇聚，所有线程达到屏障后再一起继续执行。
• 使用方式
  在构造时设定参与线程数量，可选择设置一个“屏障动作”（一个 Runnable），在所有线程到达后自动执行。
• 示例场景
  多个生产者每生产完一次“周期”产品后，等待其它生产者，以便统一开始下一周期生产。

1.3 Semaphore

• 作用
  Semaphore 用于限制对共享资源的并发访问线程数。
• 使用方式
  通过 acquire() 获取许可，如果没有许可则阻塞；通过 release() 释放许可。
• 示例场景
  控制同时进行生产操作的生产者数量，避免对有限资源的竞争。

1.4 并发设计模式

• 生产者—消费者模式
  经典模式中生产者不断产生数据，消费者不断消费数据，通常需要借助队列和线程同步机制协同工作。
• 读写锁
  通过 ReentrantReadWriteLock 实现读与写操作分离，提高并发度（适用于读远多于写的场景）。

2. 扩展生产者—消费者示例

以下示例扩展了传统生产者—消费者模型，加入了三种并发工具以应对复杂场景：

• CountDownLatch：所有生产者先“就绪”，然后统一启动生产。
• Semaphore：限制同时进行生产操作的生产者数。
• CyclicBarrier：每个生产周期结束后，等待所有生产者完成，进行周期性的同步（屏障触发时打印提示信息）。

2.1 示例代码

将以下代码保存为一个 Java 文件（例如 ExtendedProducerConsumerDemo.java），或拆分为多个类文件后按包编译运行。

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Semaphore;

// 主类入口
public class ExtendedProducerConsumerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建共享缓冲区（容量设为10）
        Buffer buffer = new Buffer(10);
        
        int numProducers = 3;
        int numConsumers = 2;
        
        // CountDownLatch 用于等待所有生产者线程准备就绪
        CountDownLatch startLatch = new CountDownLatch(numProducers);
        
        // CyclicBarrier 用于同步所有生产者的周期生产，所有生产者到达屏障后执行屏障动作
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(numProducers, () -> {
            System.out.println("【屏障触发】所有生产者完成本周期生产，开启新周期！");
        });
        
        // Semaphore 控制同时进入生产过程的生产者数（例如最多2个）
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
        
        // 启动生产者线程
        for (int i = 1; i <= numProducers; i++) {
            Producer producer = new Producer("Producer-" + i, buffer, startLatch, barrier, semaphore);
            new Thread(producer).start();
        }
        
        // 启动消费者线程
        for (int i = 1; i <= numConsumers; i++) {
            Consumer consumer = new Consumer("Consumer-" + i, buffer);
            new Thread(consumer).start();
        }
    }
}

// 共享缓冲区类：使用 synchronized 及 wait/notify 保护共享队列
class Buffer {
    private Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    private int capacity;
    
    public Buffer(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }
    
    // 生产数据操作
    public synchronized void produce(int value) throws InterruptedException {
        while(queue.size() == capacity) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 等待，缓冲区已满！");
            wait();
        }
        queue.add(value);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " produced: " + value);
        notifyAll();
    }
    
    // 消费数据操作
    public synchronized int consume() throws InterruptedException {
        while(queue.isEmpty()) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 等待，缓冲区为空！");
            wait();
        }
        int value = queue.poll();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " consumed: " + value);
        notifyAll();
        return value;
    }
}

// 生产者类：使用 CountDownLatch、Semaphore 与 CyclicBarrier 进行生产同步
class Producer implements Runnable {
    private String name;
    private Buffer buffer;
    private CountDownLatch startLatch;
    private CyclicBarrier barrier;
    private Semaphore semaphore;
    private static int globalItemCounter = 0;  // 用于生成生产的唯一数据
    
    public Producer(String name, Buffer buffer, CountDownLatch startLatch, 
                    CyclicBarrier barrier, Semaphore semaphore) {
        this.name = name;
        this.buffer = buffer;
        this.startLatch = startLatch;
        this.barrier = barrier;
        this.semaphore = semaphore;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        Thread.currentThread().setName(name);
        // 表示当前生产者已就绪，并倒计时
        System.out.println(name + " is ready.");
        startLatch.countDown();
        try {
            // 等待所有生产者就绪，然后统一启动
            startLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        while(true) {
            try {
                // 限制同时进行生产操作的数量
                semaphore.acquire();
                int item = produceItem();
                buffer.produce(item);
                semaphore.release();
                
                // 生产者完成本周期生产后，在屏障处等待其他生产者
                barrier.await();
                
                // 模拟生产周期间隔
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    // 模拟生成产品（用同步保证全局计数器线程安全）
    private synchronized int produceItem() {
        return ++globalItemCounter;
    }
}

// 消费者类：不断从缓冲区中消费产品
class Consumer implements Runnable {
    private String name;
    private Buffer buffer;
    
    public Consumer(String name, Buffer buffer) {
        this.name = name;
        this.buffer = buffer;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        Thread.currentThread().setName(name);
        while(true) {
            try {
                int item = buffer.consume();
                // 模拟消费耗时
                Thread.sleep(1000);
            } catch(Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3. 代码详解

3.1 主类 ExtendedProducerConsumerDemo

• Buffer 创建
  Buffer buffer = new Buffer(10); 创建一个容量为 10 的共享缓冲区，用于存放生产的数据。
• CountDownLatch
  通过 new CountDownLatch(numProducers) 创建 latch，用于确保所有 3 个生产者线程都已准备就绪后再同时开始生产。
• CyclicBarrier
  new CyclicBarrier(numProducers, barrierAction) 创建一个屏障，当 3 个生产者均调用 await() 后，自动执行屏障动作（打印提示信息），然后各生产者继续下一周期。
• Semaphore
  设定同时允许最多 2 个生产者进入生产操作，模拟对有限资源的访问控制。
• 启动线程
  主方法中循环创建生产者和消费者线程，并分别启动。

3.2 Buffer 类

• 与之前生产者—消费者示例类似，使用了 synchronized 的 produce/consume 方法，利用 wait/notifyAll 控制对共享队列的访问，防止数据竞争。

3.3 Producer 类

• 就绪等待
  每个生产者启动后立即调用 startLatch.countDown() 表示自己已就绪，然后通过 startLatch.await() 等待所有生产者到位。
• Semaphore 限流
  在每次生产时，先调用 semaphore.acquire() 获取许可，保证同一时刻最多只有 2 个生产者在进行产品生成与缓冲区写入操作；生产完成后释放许可。
• 生成产品
  利用 synchronized 方法produceItem()确保全局计数器 globalItemCounter 正确递增，生成唯一数据。
• CyclicBarrier 同步
  每个生产者调用 barrier.await() 后，将等待其他生产者达到屏障，屏障触发后屏障动作会打印提示，完成一次“生产周期”同步。

3.4 Consumer 类

• 不断循环调用buffer.consume()消费产品，并模拟消费延时，每次消费后线程休眠 1 秒，使生产与消费速率形成差异，便于观察各同步工具的效果。

4. 编译与运行结果

4.1 编译

• 在 IntelliJ IDEA 中创建一个 Java 项目，将上述所有代码保存到一个文件中（或分成多个文件后按包编译）。

• 使用 IDE 的编译功能或在命令行下使用 javac ExtendedProducerConsumerDemo.java 编译。

4.2 运行

运行主类 ExtendedProducerConsumerDemo 后，你将在控制台看到类似如下的输出（具体顺序因线程调度和系统环境而异）：

Producer-1 is ready.
Producer-2 is ready.
Producer-3 is ready.
Producer-1 produced: 1
Producer-2 produced: 2
Producer-3 produced: 3
【屏障触发】所有生产者完成本周期生产，开启新周期！
Consumer-1 consumed: 1
Consumer-2 consumed: 2
Producer-1 produced: 4
Producer-2 produced: 5
Producer-3 produced: 6
【屏障触发】所有生产者完成本周期生产，开启新周期！
Consumer-1 consumed: 3
Consumer-2 consumed: 4
...

说明：

• 生产者就绪： 启动时首先打印各生产者“is ready”，并通过 CountDownLatch 同步后，再开始生产。
• Semaphore 限制 ：同一时刻只有部分生产者进入生产区间，顺序可能受限。
• CyclicBarrier 同步 ：每当所有生产者完成当前“生产周期”（即各自都到达 barrier.await()），会触发屏障动作，打印提示信息，然后各自继续下一次生产。
• 消费者输出 ：消费者不断消费数据，输出消费记录。由于生产和消费速率不同，缓冲区可能时而空、时而满，从而触发相应的等待提示信息。

5. 总结与思考

• 高级并发工具的应用
  通过 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore，我们可以对线程的启动顺序、周期性同步以及并发访问控制进行更精细的管理，为复杂场景下的并发编程提供有力支持。
• 设计模式
  扩展生产者—消费者模型展示了如何在经典模式中引入更多同步工具，使系统在并发环境中更稳健，同时也为其他设计模式（如读写锁模式）提供借鉴。