Java高并发 - 《Java》

CountDownLatch，CyclicBarrier和 Semaphore
LinkedBlockingQueue

CountDownLatch，CyclicBarrier和 Semaphore

CountDownLatch这个类能够使一个线程等待其他线程完成各自的工作后再执行
CountDownLatch是通过一个计数器来实现的，计数器的初始值为线程的数量。
每当一个线程完成了自己的任务后，计数器的值就会减1。当计数器值到达0时，
它表示所有的线程已经完成了任务，然后在闭锁上等待的线程就可以恢复执行任务。

以下是本文目录大纲：
一.CountDownLatch用法
二.CyclicBarrier用法
三.Semaphore用法

一.CountDownLatch用法

CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

CountDownLatch类只提供了一个构造器：

public CountDownLatch(int count) {  };  //参数count为计数值

然后下面这3个方法是CountDownLatch类中最重要的方法：

public void await() throws InterruptedException { };   
    //调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; 
    //和await()类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
public void countDown() { }; 
    //将count值减1

大家就清楚CountDownLatch的用法了

public class Test {
     public static void main(String[] args) {   
         final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
         new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                     System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕");
                    latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();
         new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                     System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
                     Thread.sleep(3000);
                     System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕");
                     latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();
         try {
             System.out.println("等待2个子线程执行完毕...");
            latch.await();
            System.out.println("2个子线程已经执行完毕");
            System.out.println("继续执行主线程");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
     }
}

二.CyclicBarrier用法

字面意思回环栅栏，通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用。我们暂且把这个状态就叫做barrier，当调用await()方法之后，线程就处于barrier了。

CyclicBarrier类位于java.util.concurrent包下，CyclicBarrier提供2个构造器：

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {}
public CyclicBarrier(int parties) {}

参数parties指让多少个线程或者任务等待至barrier状态；参数barrierAction为当这些线程都达到barrier状态时会执行的内容。

然后CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法，它有2个重载版本：

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };
public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { };

第一个版本比较常用，用来挂起当前线程，直至所有线程都到达barrier状态再同时执行后续任务；

第二个版本是让这些线程等待至一定的时间，如果还有线程没有到达barrier状态就直接让到达barrier的线程执行后续任务。

下面举几个例子就明白了：

假若有若干个线程都要进行写数据操作，并且只有所有线程都完成写数据操作之后，这些线程才能继续做后面的事情，此时就可以利用CyclicBarrier了：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Writer(barrier).start();
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      //以睡眠来模拟写入数据操作
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
        }
    }
}

从上面输出结果可以看出，每个写入线程执行完写数据操作之后，就在等待其他线程写入操作完毕。

当所有线程线程写入操作完毕之后，所有线程就继续进行后续的操作了。

如果说想在所有线程写入操作完之后，进行额外的其他操作可以为CyclicBarrier提供Runnable参数：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N,new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName());   
            }
        });
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Writer(barrier).start();
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      //以睡眠来模拟写入数据操作
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
        }
    }
}

三.Semaphore用法

Semaphore翻译成字面意思为信号量，Semaphore可以控同时访问的线程个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。

Semaphore类位于java.util.concurrent包下，它提供了2个构造器：

public Semaphore(int permits) {          //参数permits表示许可数目，即同时可以允许多少线程进行访问
    sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {    //这个多了一个参数fair表示是否是公平的，即等待时间越久的越先获取许可
    sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

下面说一下Semaphore类中比较重要的几个方法，首先是acquire()、release()方法：

public void acquire() throws InterruptedException {  }     //获取一个许可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { }    //获取permits个许可
public void release() { }          //释放一个许可
public void release(int permits) { }    //释放permits个许可

acquire()用来获取一个许可，若无许可能够获得，则会一直等待，直到获得许可。

release()用来释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。

这4个方法都会被阻塞，如果想立即得到执行结果，可以使用下面几个方法：

public boolean tryAcquire() { };    
    //尝试获取一个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  
    //尝试获取一个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; 
    //尝试获取permits个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };
    //尝试获取permits个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false

另外还可以通过availablePermits()方法得到可用的许可数目。

下面通过一个例子来看一下Semaphore的具体使用：

假若一个工厂有5台机器，但是有8个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用。那么我们就可以通过Semaphore来实现：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 8;            //工人数
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Worker(i,semaphore).start();
    }
    static class Worker extends Thread{
        private int num;
        private Semaphore semaphore;
        public Worker(int num,Semaphore semaphore){
            this.num = num;
            this.semaphore = semaphore;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人"+this.num+"占用一个机器在生产...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("工人"+this.num+"释放出机器");
                semaphore.release();           
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

下面对上面说的三个辅助类进行一个总结：

1）CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同：

CountDownLatch一般用于某个线程A等待若干个其他线程执行完任务之后，它才执行；

而CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行；

另外，CountDownLatch是不能够重用的，而CyclicBarrier是可以重用的。

2）Semaphore其实和锁有点类似，它一般用于控制对某组资源的访问权限。

LinkedBlockingQueue

简介
ava.util.concurrent包下的新类。LinkedBlockingQueue就是其中之一，顾名思义这是一个阻塞的线程安全的队列，底层采用链表实现
构造方法（具体详情查看JDK API）

LinkedBlockingQueue()
创建一个LinkedBlockingQueue容量为 Integer.MAX_VALUE。
LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c)
创建一个LinkedBlockingQueue容量为 Integer.MAX_VALUE，最初包含给定集合的元素，以集合迭代器的遍历顺序添加。
LinkedBlockingQueue(int capacity)
创建LinkedBlockingQueue具有给定（固定）容量的a。

方法

添加元素的方法有三个：add,put,offer。

1.add方法：add方法在添加元素的时候，若超出了度列的长度会直接抛出异常
2.put方法：对于put方法，若向队尾添加元素的时候发现队列已经满了会发生阻塞一直等待空间，以加入元素。
3.offer方法：offer方法在添加元素时，如果发现队列已满无法添加的话，会直接返回false。

从队列中取出并移除头元素的方法有：poll，remove，take。

1.poll: 若队列为空，返回null。
2.remove:若队列为空，抛出NoSuchElementException异常。
3.take:若队列为空，发生阻塞，等待有元素。

例子：生产者消费者

共享的实例变量

public class Factory {
    BlockingQueue<String> blockingQueue = new LinkedBlockingDeque<>();
    public void produce(String put) throws InterruptedException {
        //对于put方法，若向队尾添加元素的时候发现队列已经满了会发生阻塞一直等待空间，以加入元素。
        blockingQueue.put(put);
        System.out.println("product：" + put);
    }
    public String consume() throws InterruptedException {
        // take方法若队列为空，发生阻塞，等待有元素。
        String take = blockingQueue.take();
        System.out.println("consumer：" + take);
        return take;
    }
}

生产者

public class Product implements Runnable{
    private Factory factory;
    public Product(Factory factory) {
        this.factory = factory;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                factory.produce("一部手机");
                Thread.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

消费者


public class Consumer implements Runnable{
    private Factory factory;
    public Consumer(Factory factory) {
        this.factory = factory;
    }
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                // 消费苹果
                factory.consume();
                // 休眠1000ms
                Thread.sleep(1000);
            }
        } catch (InterruptedException ex) {
            System.out.println("Consumer Interrupted");
        }
    }
}

测试

public class LinkedBlockingQueueTest {
    public static void main(String[] args){
        Factory factory = new Factory();
        Product product = new Product(factory);
        Consumer consumer = new Consumer(factory);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(product);
        executorService.execute(consumer);
    }
}