多线程并发库高级应用 之 其它同步工具类

笔记摘要：

               这里主要介绍了java5中线程锁技术以外的其他同步工具，首先介绍semaphore：一个计数信号量。用于控制同时访问资源的线程个数，

               CyclicBarrier同步辅助类：从字面意思看是路障，这里用于线程之间的相互等待，到达某点后，继续向下执行，CountDownLatch同步辅

              助类：在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。犹如倒计时计数器，然后是Exchangeer：实现两个

             对象之间数据交换，可阻塞队列：ArrayBlockingQueue，通过阻塞队列间的通信来演示其作用，最后介绍了几个同步集合。

一、Semaphore实现信号灯

        1.、Semaphore可以维护当前访问自身的线程个数，并提供了同步机制，使用Semaphore可以控制同时访问资源的线程个数，例如，实现一个文件允许

       的并发访问数。Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。 

   

        2、Semaphore实现的功能就像：银行办理业务，一共有5个窗口，但一共有10个客户，一次性最多有5个客户可以进行办理，其他的人必须等候，

     当5个客户中的任何一个离开后，在等待的客户中有一个人可以进行业务办理。

        3、Semaphore提供了两种规则：

               一种是公平的：获得资源的先后，按照排队的先后。在构造函数中设置true实现

               一种是野蛮的：谁有本事抢到资源，谁就可以获得资源的使用权。

       4、与传统的互斥锁的异同：

             单个信号量的Semaphore对象可以实现互斥锁的功能，并且可以是由一个线程获得了“锁“，再由另外一个线程释放”锁“，

       这可以应用于死锁恢复的一些场合。

      5、应用场景：共享资源的争夺，例如游戏中选手进入房间的情况。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreTest {
	public static void main(String[] args) {
		
　　//创建一个可根据需要创建新线程的线程池
　　ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
		final  Semaphore sp = new Semaphore(3);
		
　　//创建10个线程
　　for(int i=0;i<10;i++){
			Runnable runnable = new Runnable(){
					public void run(){
					try {
						sp.acquire();	//获取灯，即许可权
					} catch (InterruptedException e1) {
						e1.printStackTrace();
					}
					System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
							"进入，当前已有" + (3-sp.availablePermits()) + "个并发");
					try {
						Thread.sleep((long)(Math.random()*10000));
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
							"即将离开");					
					sp.release();	// 释放一个许可，将其返回给信号量

					//下面代码有时候执行不准确，因为其没有和上面的代码合成原子单元
					System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
							"已离开，当前已有" + (3-sp.availablePermits()) + "个并发");					
				}
			};
			service.execute(runnable);			
		}
	}

}

二、其他同步工具类：

CyclicBarrier

          1、一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中，

             这些线程必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier。 

          2、CyclicBarrier 支持一个可选的 Runnable 命令，在一组线程中的最后一个线程到达之后（但在释放所有线程之前），该命令只在每个屏障

            点运行一次。若在继续所有参与线程之前更新共享状态，此屏障操作 很有用。 

示例:

       3个线程到达某个集合点后再向下执行,使用await方法实现

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CyclicBarrierTest {

	public static void main(String[] args) {
		ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
		final  CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(3);
		for(int i=0;i<3;i++){
			Runnable runnable = new Runnable(){
					public void run(){
					try {
						Thread.sleep((long)(Math.random()*10000));	
						System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
								"即将到达集合地点1，当前已有" + (cb.getNumberWaiting()+1) + "个已经到达，" + (cb.getNumberWaiting()==2?"都到齐了，继续走啊":"正在等候"));						
						cb.await();//在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前，将一直等待。
						
						Thread.sleep((long)(Math.random()*10000));	
						System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
								"即将到达集合地点2，当前已有" + (cb.getNumberWaiting()+1) + "个已经到达，" + (cb.getNumberWaiting()==2?"都到齐了，继续走啊":"正在等候"));
						cb.await();	
						Thread.sleep((long)(Math.random()*10000));	
						System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
								"即将到达集合地点3，当前已有" + (cb.getNumberWaiting() + 1) + "个已经到达，" + (cb.getNumberWaiting()==2?"都到齐了，继续走啊":"正在等候"));						
						cb.await();						
					} catch (Exception e) {
						e.printStackTrace();
					}				
				}
			};
			service.execute(runnable);
		}
		service.shutdown();
	}
}

CountDownLatch

        1、一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。犹如倒计时计数器，调用CountDownLatch对象

       的countDown方法就将计数器减1，当计数到达0时，则所有等待者或单个等待者开始执行。

        2、可以实现一个人（也可以是多个人）等待其他所有人都来通知他，也可以实现一个人通知多个人的效果，类似裁判一声口令，运动员开始奔跑

          （一对多），或者所有运送员都跑到终点后裁判才可以公布结果（多对一）。

        3、用指定的计数 初始化 CountDownLatch。在调用 countDown() 方法之前，await 方法会一直受阻塞。之后，会释放所有等待的线程，await 的所

          有后续调用都将立即返回。这种现象只出现一次——计数无法被重置。如果需要重置计数，请考虑使用 CyclicBarrier。 

示例：

       实现运动员比赛的效果

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CountdownLatchTest {

	public static void main(String[] args) {
		
　　ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
　　
　　//构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch,相当于裁判的口哨
　　final CountDownLatch cdOrder = new CountDownLatch(1);
　　
　　//相当于定义3个运行员
		final CountDownLatch cdAnswer = new CountDownLatch(3);
		for (int i = 0; i < 3; i++) {
			Runnable runnable = new Runnable() {
				public void run() {
					try {
						System.out.println("线程"
								+ Thread.currentThread().getName() + "正准备接受命令");

						// 等待发令枪
						cdOrder.await();//使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待

						System.out.println("线程"
								+ Thread.currentThread().getName() + "已接受命令");
						Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
						System.out
								.println("线程"
										+ Thread.currentThread().getName()
										+ "回应命令处理结果");

						// 各个运动员完报告成绩之后，通知裁判
						cdAnswer.countDown();//递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程

					} catch (Exception e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
			};
			service.execute(runnable);
		}
		try {
			Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

			System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName()
					+ "即将发布命令");
			// 发令枪打响，比赛开始
			cdOrder.countDown();

			System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName()
					+ "已发送命令，正在等待结果");

			// 裁判等待各个运动员的结果
			cdAnswer.await();

			// 裁判公布获得所有运动员的成绩
			System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName()
					+ "已收到所有响应结果");
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		service.shutdown();

	}
}

Exchanger

      

      1、用于实现两个对象之间的数据交换，每个对象在完成一定的事务后想与对方交换数据，第一个先拿出数据的对象将一直等待第二个对象拿着数据

          到来时，彼此才能交换数据。

      2、方法：exchange（V x）

          等待另一个线程到达此交换点（除非当前线程被中断），然后将给定的对象传送给该线程，并接收该线程的对象。

      3、应用：使用 Exchanger 在线程间交换缓冲区

示例：

       模拟毒品交易情景

import java.util.concurrent.Exchanger;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ExchangerTest {

	public static void main(String[] args) {
		ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
		final Exchanger exchanger = new Exchanger();
		service.execute(new Runnable(){
			public void run() {
				try {				

					String data1 = "毒品";
					System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
					"正在把: " + data1 +"   交易出去");
					Thread.sleep((long)(Math.random()*10000));
					String data2 = (String)exchanger.exchange(data1);
					System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
					"换得了: " + data2);
				}catch(Exception e){
					
				}
			}	
		});
		service.execute(new Runnable(){
			public void run() {
				try {				

					String data1 = "美金";
					System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
					"正在把: " + data1 +"   交易出去");
					Thread.sleep((long)(Math.random()*10000));					
					String data2 = (String)exchanger.exchange(data1);
					System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + 
					"换得了: " + data2);
				}catch(Exception e){
					
				}				
			}	
		});		
	}
}

ArrayBlockingQueue

       1、一个由数组支持的有界阻塞队列。此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。队列包含固定长度的队列和不固定长度的队列。

         这是一个典型的“有界缓存区”，固定大小的数组在其中保持生产者插入的元素和使用者提取的元素。一旦创建了这样的缓存区，就不能

    再增加其容量。试图向已满队列中放入元素会导致操作受阻塞；试图从空队列中提取元素将导致类似阻塞。

通俗的讲：

      当指定队列大小，如果已经放满，其他存入数据的线程就阻塞，等着该队列中有空位，才能放进去。当取的比较快，队列中没有数据，

      取数据的线程阻塞，等队列中放入了数据，才可以取。

        2、ArrayBlockingQueue中只有put和take方法才具有阻塞功能。方法类型如下

	抛出异常	特殊值	阻塞	超时
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
检查	element()	peek()	不可用	不可用

示例：

       用3个空间的队列来演示向阻塞队列中存取数据的效果。

通俗的将：
当指定队列大小，如果已经放满，其他存入数据的线程就阻塞，等着该队列中有空位，才能放进去。当取的比较快，队列中没有数据，取数据的线程阻塞，等队列中放入了数据，才可以取。


ArrayBlockingQueue中只有put和take方法才具有阻塞功能。方法类型如下

	抛出异常	特殊值	阻塞	超时
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
检查	element()	peek()	不可用	不可用

用3个空间的队列来演示向阻塞队列中存取数据的效果。

package cn.xushuai.thread;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class BlockingQueueTest {
	public static void main(String[] args) {
		final BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(3);
		for(int i=0;i<2;i++){
			new Thread(){
				public void run(){
					while(true){
						try {
							Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));
							System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备放数据!");							
							queue.put(1);	//放进去后，可能立即执行“准备取数据”
							System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经放了数据，" + 							
										"队列目前有" + queue.size() + "个数据");
						} catch (InterruptedException e) {
							e.printStackTrace();
						}

					}
				}
				
			}.start();
		}
		
		new Thread(){
			public void run(){
				while(true){
					try {
						//将此处的睡眠时间分别改为100和1000，观察运行结果
						Thread.sleep(1000);
						System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备取数据!");
						queue.take();	//取出后可能來不及执行下面的打印语句，就跑到了“准备放数据”，
						System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经取走数据，" + 							
								"队列目前有" + queue.size() + "个数据");					
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
			}
		}.start();			
	}
}

阻塞队列间的通信

           A队列向空间中存数据，B从空间里取数据，A存入后，通知B去取，B取过之后，通知A去放，依次循环

示例：

        子线程先循环10次，接着主线程循环100次，接着又回到子线程，循环10次，再回到主线程又循环100，如此循环50次。

        

说明：

       这里通过使 用两个具有1个空间的队列来实现同步通知的功能（实现了锁和condition的功能），以便实现队列间的通信，其中使用到了

       构造代码块为主队列先存入一个数据，以使其先阻塞，子队列先执行。

使用构造代码块的原因：

       成员变量在创建类的实例对象时，才分配空间，才能有值，所以创建一个构造方法来给main_quene赋值，这里不可以使用静态代码块，因为静态

       在还没创建对象就存在， 而sub_quene和main_quene是对象创建以后的成员变量，所以这里用匿名构造方法，它的运行时期在任何构造方法之前，

       创建几个对象就执行几次

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class BlockingQueueCommunication {
	public static void main(String[] args){
		
		final Business business = new Business();
		
		new Thread(new Runnable(){
			@Override
			public void run() {
				for(int i=1;i<=50;i++){
					business.sub(i);
				}
			}
		}).start();

			//主线程外部循环
			for(int i=1;i<=50;i++){
				business.main(i);
	      }
	   }

	//业务类
	static class Business{
		
		BlockingQueue<Integer> sub_quene = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);
		BlockingQueue<Integer> main_quene = new ArrayBlockingQueue<Integer>(1);
				
		{
　　//为了让子队列先走，所以在一开始就往主队列中存入一个对象，使其阻塞。
			try {
				main_quene.put(1);	
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}		
		}
		
		//子队列先走		
		public  void sub(int i){
			
			try {
				sub_quene.put(1);	//子队列第一次存入，可以执行，但由于只有1个空间，已经存满，所以只有在执行后要等到take之后才能继续下次执行
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			//子队列循环执行
			for(int j=1;j<=10;j++){
				System.out.println("sub thread sequence of"+i+",loop of "+j);
			}
			try {
				main_quene.take();  //让主队列从已经填满的队列中取出数据，使其开始第一次执行
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		
		public void main(int i){
			
			try {
				main_quene.put(1);	//主队列先前放过1个空间，现在处于阻塞状态，等待子队列通知，即子线程中的main_quene.take(); 
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			
　　//主队列循环执行
			for(int j=1;j<=100;j++){
				System.out.println("main thread sequence of"+i+", loop of "+j);
			}	
			try {
				sub_quene.take(); //让子队列从已经填满的队列中取出数据，使其执行
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}	
	}
   }

三、Java5中的一些同步集合类：

1、ConcurrentHashMap（同步的HashMap）

       支持获取的完全并发和更新的所期望可调整并发的哈希表。此类遵守与 Hashtable 相同的功能规范，并且包括对应于 Hashtable 的每个方法的方法版本。

   不过，尽管所有操作都是线程安全的，但获取操作不 必锁定，并且不 支持以某种防止所有访问的方式锁定整个表。此类可以通过程序完全与 Hashtable 

   进行互操作，这取决于其线程安全，而与其同步细节无关。

内部原理：

      其实内部使用了代理模式，你给我一个HashMap，我就给你一个同步的HashMap。同步的HashMap在调用方法时，是去分配给原始的HashMap只是在去

   调用方法的同时加上了Synchronized，以此实现同步效果

2、ConcurrentSkipListSet（类似于TreeSet）

      一个基于 ConcurrentSkipListMap 的可缩放并发 NavigableSet 实现。set 的元素可以根据它们的自然顺序进行排序，也可以根据创建 set 时所提供的

   Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。

3、CopyOnWriteArrayList 

      ArrayList 的一个线程安全的变体，可解决线程安全问题，在遍历的时候，同时进行添加操作。其中所有可变操作（add、set 等等）都是通过对底层数

      组进行一次新的复制来实现的。

4、CopyOnWriteArraySet

    对其所有操作使用内部 CopyOnWriteArrayList 的 Set。