多线程同步控制使用示例升级版

作者: 一名程序猿 | 来源:发表于2018-08-30 20:39 被阅读190次

需求

一次想跑多个线程，但是需求是，某个线程第一个执行，其执行完所有操作之后，后续线程再跑，又指定某一个线程必须等待其余线程执行完毕之后，它在执行。

模拟需求

1.创建三种不同需求线程，以满足第一执行线程，最后执行线程，普通线程。（只有一个线程类，也是可以实现，这边为了方便打出日志，简化操作）
2.创建程序入口，初始化各线程参数

实现的思路

1.利用java线程控制的wait、notifyAll用于实现某个线程第一个执行的需求。
2.利用CountDownLatch用于实现某一个线程必须等待其余线程执行完毕之后，它在执行的需求。

代码示例

主程序代码：功能就是创建一个固定大小为6的线程池，用于执行所有的线程。不做任何限制的情况下，第一次会跑6个线程。一个线程运行完毕，会自动加入一个新的线程进行执行，直至所有线程执行完毕。

package thread;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class Mian {

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(6);

        List<Runnable> taskList = new ArrayList<Runnable>();
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);
        Object lock = new Object();
        
        taskList.add(new Common(countDownLatch, lock));
        taskList.add(new Common(countDownLatch, lock));
        taskList.add(new First(countDownLatch, lock));
        taskList.add(new Common(countDownLatch, lock));
        taskList.add(new Common(countDownLatch, lock));
        taskList.add(new Common(countDownLatch, lock));
        taskList.add(new Last(countDownLatch, lock));
        taskList.add(new Common(countDownLatch, lock));
        taskList.add(new Common(countDownLatch, lock));
        
        taskList.add(new Common(countDownLatch, lock));
        taskList.add(new Common(countDownLatch, lock));
        
        taskList.forEach(t -> {
            executorService.execute(t);
        });
        executorService.shutdown();

    }
}

第一个执行线程代码：首先打了对应的提示，为了模拟正常的运行，采用for循环的方式占用cpu，比sleep更符合实际操作场景，同时也做了个简单的记时操作，用于验证是否其他线程处于等待。计算完毕之后，countDownLatch的记数减一，最后再把阻塞在lock对象上的所有线程唤醒。注意点在于执行唤醒操作时，确保想要阻塞的线程已经全部阻塞了，否则执行了唤醒操作后，还有线程才执行阻塞操作，这类线程就无法被唤醒了。

package thread;

import java.time.LocalDateTime;
import java.time.format.DateTimeFormatter;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class First implements Runnable {

    private CountDownLatch countDownLatch;
    private Object lock;

    public First(CountDownLatch countDownLatch, Object lock) {
        this.countDownLatch = countDownLatch;
        this.setLock(lock);
    }

    public First() {
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("进入第一个线程");
        System.out.println("进入第一个线程数值为：" + countDownLatch.getCount());
        System.out.println(
                "进入第一个线程开始时间" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                for (int k = 0; k < 1000; k++) {
                    for (int k2 = 0; k2 < 26000; k2++) {
                    }
                }
            }
        }
        System.out.println(
                "进入第一个线程结束时间" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
        countDownLatch.countDown();
        System.out.println("结束进入第一个线程，此时线程记数值为：" + countDownLatch.getCount());
        synchronized (lock) {
            lock.notifyAll();
        }
    }

    public CountDownLatch getCountDownLatch() {
        return countDownLatch;
    }

    public void setCountDownLatch(CountDownLatch countDownLatch) {
        this.countDownLatch = countDownLatch;
    }

    public Object getLock() {
        return lock;
    }

    public void setLock(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

}

普通大众角色代码：纯粹是为了模拟需求需要的线程。代码功能，先获取到countDownLatch记数，如果是初始值，表示一个线程都还没有执行完毕，就阻塞线程，否则就继续执行。这儿有个注意点：要想使用wait方法，必须先上锁，并且上锁的对象与线程所在阻塞对象要一致（如下图一），否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException异常。

图一.png

package thread;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Common implements Runnable {

    private CountDownLatch countDownLatch;

    private Object lock;

    public Common(CountDownLatch countDownLatch, Object lock) {
        this.setCountDownLatch(countDownLatch);
        this.setLock(lock);
    }

    public Common(CountDownLatch countDownLatch) {
        this.setCountDownLatch(countDownLatch);
    }

    public Common() {
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (lock) {
            long num = countDownLatch.getCount();
            if (num == 10) {
                try {
                    System.out.println("普通线程进入阻塞");
                    lock.wait();
                    System.out.println("阻塞的线程被唤醒");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        synchronized (lock) {
            System.out.println("进入普通线程了");
            countDownLatch.countDown();
            System.out.println("目前的线程记数值为：" + countDownLatch.getCount());
        }
    }

    public CountDownLatch getCountDownLatch() {
        return countDownLatch;
    }

    public void setCountDownLatch(CountDownLatch countDownLatch) {
        this.countDownLatch = countDownLatch;
    }

    public Object getLock() {
        return lock;
    }

    public void setLock(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

}

最后一个执行线程：先获取countDownLatch记数，如果是第一个线程就阻塞，否则就往下执行；执行countDownLatch.await();输出相关信息

package thread;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Last implements Runnable {

    private CountDownLatch countDownLatch;
    private Object lock;

    public Last(CountDownLatch countDownLatch, Object lock) {
        this.countDownLatch = countDownLatch;
        this.setLock(lock);
    }

    public Last() {
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (lock) {
            long num = countDownLatch.getCount();
            if (num == 10) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        synchronized (countDownLatch) {
            try {
                countDownLatch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("进入最后一个线程，此时线程记数值为：" + countDownLatch.getCount());
        System.out.println("结束最后一个线程");
    }

    public CountDownLatch getCountDownLatch() {
        return countDownLatch;
    }

    public void setCountDownLatch(CountDownLatch countDownLatch) {
        this.countDownLatch = countDownLatch;
    }

    public Object getLock() {
        return lock;
    }

    public void setLock(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

}

代码运行结果

图二.png
这个结果看起很漂亮，但是实际上这个不太符合业务场景。尤其是大众代码，正常情况下应该是并发运行。看上图代码发现： w.png

在阻塞唤醒之后，马上又进入锁代码，可以想象基本是单线程运行了。我之所以加锁，是因为countDownLatch.getCount()是不加锁的，我不加锁获取这个值就会是乱的，因为一个线程执行了countDown，还没有执行getCount。另一个线程可能又执行了countDown，导致获取到的值是不连续了。正常场景下，各线程执行本身互不影响，更多的是并发操作，提高效率。

效率

针对最开始的需求，我要是把线程池固定大小设置为1，第一个执行线程放在数组第一个，最后一个线程放最后一个，感觉还是可以实现需求，只不过是全程单线程执行任务。搞这么麻烦就是为了提升效率。所以同一个需求会有很多种实现，就是效率各不相同。

效率的验证

1.增加整个程序运行完毕时间。(这个不是说在主程序里面代码块前后加个输出时间就ok?因为线程的运行，不影响主线程，所以直接加肯定不对。正确的做法，进入主程序加一个时间为开始时间，最后一个线程加一个时间为结束时间)
2.增加大众线程运算时间。（直接一个输出，时间差基本可以忽略）

验证代码贴图

主程序加计时.png
增加大众线程运算时间.png
最后一个线程加计时.png
运行结果.png

从我实时看输出，也确如直接看代码分析一样，说是多线程实际还是单线程运行，因为基本属于全程加锁。也可以看到整个运行时间是52秒。输出效果看起还是整齐。

去掉大众代码中的锁，因为大众代码各自运行是互不影响的。（countDownLatch.countDown()本身自带锁）
改版大众代码.png
改版结果图.png

可以看到时间是8秒。效率应提升接近7倍。

懵逼？？？

从这个输出来看感觉有实现上面的需求吗？为啥最后一个线程不是最后输出呢？（线程记数值为啥不对，已经在上面‘为啥加锁’中说明了）

解惑
再瞧大众代码.png

先执行的是countDownLatch.countDown();然后执行计算操作，最后执行输出操作。大家也知道，唤醒最后一个线程的条件是线程记数等于0就可以唤醒了。这么写的确是有问题。所以一定要注意，countDownLatch.countDown()操作一定是在线程所有要做的事情做完再执行。否则就不是某一个线程必须等待前面线程执行完毕后执行。所以效率的统计也是有点问题，改哈大众代码，再看一遍

image.png
正确下的结果.png

改了一哈控制台字体，不然放不下。这下就可以看到最后一个线程是最后输出的（不是偶然，无论多少次都是最后输出，唯一会变化的是线程记数）

再来一发.png
记数没变就没变吧。最后一个线程还是最后输出了。两次时间都是7秒。效率提升是毋庸置疑的。
到此就算完成功能演示。

死锁

还是咱们的大众代码，改一哈如下图

改大众代码锁对象.png

刚刚已经说了这儿除非各线程互有影响或者其他什么原因，理论上是不应该加锁。
刚开始我加的锁对象是lock。改为countDownLatch，再次运行代码就会发现问题。运行结果如图：

死锁结果.png
不要以为我是中途代码运行时截图，实际无论你等多久程序都不会出结果，一直在等待。因为已经产生死锁。我这边就不弄工具去监测死锁了。（实际这个目前我还真不会。。。）
产生死锁的原因
这个是因为最后一个线程代码.png
锁的对象是countDownLatch
普通大众代码锁对象依然是countDownLatch。但是countDownLatch.await();本身自带锁，进入阻塞之后不会释放countDownLatch锁对象。而普通大众代码又因为获取不到countDownLatch锁对象，所以进入不了countDownLatch.countDown();那么就导致普通对象无法使线程减一，最后一个线程也无法执行。所剩下的线程都无法继续执行。造成死锁。而我一开始锁的lock对象就没事。
造成死锁的原因就是滥用锁。

从刚刚分析来看，大众代码 image.png 不需要锁。
最后一个线程 image.png
countDownLatch.await();自带锁也不需要加锁。两个地方都不加锁，自然就不会出现死锁了。

死锁的延伸

刚刚产生死锁的结论是countDownLatch.await();本身自带锁，进入阻塞之后不会释放countDownLatch锁对象。这个结论还需要验证。

验证多重加锁，最里面的锁对象进入阻塞，是否是释放外层锁对象。

主验证代码

package thread;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class Mian2 {

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(6);
        List<Runnable> taskList = new ArrayList<Runnable>();
        Object lock = new Object();
        Object lock2 = new Object();

        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.add(new CommonTest(lock2, lock));
        taskList.forEach(t -> {
            executorService.execute(t);
        });
        executorService.shutdown();
    }
}

验证线程代码

package thread;

public class CommonTest implements Runnable {

    private Object lock2;

    private Object lock;

    public CommonTest(Object lock2, Object lock) {
        this.setLock2(lock2);
        this.setLock(lock);
    }

    public CommonTest() {
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("进入线程");
        synchronized (lock) {
            System.out.println("进入一重锁");
            synchronized (lock2) {
                try {
                    System.out.println("进入二重锁");
                    lock2.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public Object getLock() {
        return lock;
    }

    public void setLock(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    public Object getLock2() {
        return lock2;
    }

    public void setLock2(Object lock2) {
        this.lock2 = lock2;
    }

}

输出结果

验证结果.png

可以看到其他线程压根就进入不到一重锁，证明了多重锁的情况下，内部阻塞只会释放第一层锁。
我们去掉一层看输出：

去掉一层锁.png
结果.png
所有线程都获取到了一重锁。也证明了上述结论的正确性。

结语

并发操作本身就比较复杂，当时发现死锁，我也是想了许久才发现多重锁的问题。最后，本文如有不正确之处，请评论指出。

多线程同步控制使用示例升级版

需求

模拟需求

实现的思路

代码示例

代码运行结果

效率

效率的验证

验证代码贴图

去掉大众代码中的锁，因为大众代码各自运行是互不影响的。（countDownLatch.countDown()本身自带锁）

懵逼？？？

解惑

死锁

产生死锁的原因

死锁的延伸

验证多重加锁，最里面的锁对象进入阻塞，是否是释放外层锁对象。

结语

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