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Java多线程之并发工具类

CountDownLatch

CountDownLatch 允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。假如有一个需求是我们需要下载多组数据,此时可以考虑多线程,每个线程下载一组,直到所有数据现在完,这里如果要实现主线程等待所有线程完成下载工作,最简单就会用到join方法。:

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public static class MultiThreadDownload {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread task1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("下载数据1");
            }
        });
        Thread task2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("下载数据2");
            }
        });
        task1.start();
        task2.start();
        task1.join();
        task2.join();
        System.out.println("所有数据下载完成");
    }
}

其中上面代码中join方法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。

而JDK1.5提供了CountDownLatch同于可以实现上面join的功能,并且比join功能还要多。

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public static class MultiThreadDownload {
    static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread task1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("下载数据1");
                c.countDown();
            }
        });
        Thread task2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("下载数据2");
                c.countDown();
            }
        });
        task1.start();
        task2.start();
        c.await();
        System.out.println("所有数据下载完成");
    }
}

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 -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。

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。

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public class Main {
   	private static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
	public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    c.await();
                }catch(Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start()
            
         try {
             c.await();
         }catch(Exception e) { 
             e.printStackTrace();
         }
    }
}

由于主线程和子线程都由CPU决定,两个线程都有可能先执行,所以执行的顺序不确定。

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。

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public static class Main {
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new BarrierAction());

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    c.await();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        try {
            c.await();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class BarrierAction implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("执行后续工作");
        }
    }
}

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。 所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景。 例如,如果计算发生错误,可以重置计数器,并让线程重新执行一次。

信号量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。

最简单的理解信号量就是,一个计数器、一个等待队列、两个方法(在Java实现的Semaphore中就是acquire和release)。 调用一次acquire方法,计数器就减1,如果此时计数器小于0,则阻塞当前线程,否则当前线程可继续执行。 调用一次release方法,计数器就加1,如果此时计数器小于等于0,则唤醒一个等待队列中的线程,并将其中等待队列中移除。

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。如果需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。

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public class Main {

    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("save data");
                        s.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
        threadPool.shutdown();
    }
}

代码中,虽然有 30 个线程执行,但只允许 10 个线程并发执行。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 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() 方法归还即可,还可以使用 tryAcquire() 方法尝试获取许可证

实现互斥锁

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public class SemaphoreMutex {

    private static final Semaphore SEMAPHORE = new Semaphore(1);

    public static void main(String[] args) {
        SemaphoreMutex semaphoreMutex = new SemaphoreMutex();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(semaphoreMutex::method).start();
        }
    }

    @SneakyThrows
    public void method() {
        // 同时只会有一个线程执行此方法!
        SEMAPHORE.acquire();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程正在执行!");
            Thread.sleep(1000);
        } finally {
            SEMAPHORE.release();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行结束!");
        }
    }
}

从代码看上面每次都是一个线程执行结束后,才会有另一个开始执行,实现了互斥锁的功能。

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,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。

假设现在有一个需求:我们需要将纸质银行流水通过人工的方式录入电子银行流水,为了避免错误,采用 AB 岗两人进行录入,录入完成后,系统需加载这两人录入的数据进行比较,看看是否录入一致

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public class Main {

    private static final Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);

    public static void main(String[] args) {

        threadPool.execute(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    // A录入银行流水数据
                    String A = "银行流水A";
                    exchanger.exchange(A);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        threadPool.execute(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    // B录入银行流水数据
                    String B = "银行流水B";
                    String A = exchanger.exchange(B);
                    System.out.println("A 和 B 数据是否一致:" + A.equals(B) + ", A 录入的是:" + A
                        + ", B 录入的是:" + B);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        threadPool.shutdown();
    }
}


如果两个线程一个没有执行exchange方法,则会一直等待,如果担心有特殊情况发送,避免一直等待,可以使用exchange(V x, longtimeout, TimeUnit unit)设置最大等待时长。

本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权

Java多线程之线程通信

西安GDG上《以开发者的角度再聊Material Design》的总结