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并发编程08--Java中的并发工具类

并发编程08--Java中的并发工具类

作者: 叫我胖虎大人 | 来源:发表于2019-09-21 19:59 被阅读0次

    在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore工具类提供了一种并发流程控制的手段,Exchanger工具类则提供了在线程间交换数据的一种手段。


    等待多线程完成的CountDownLatch

    CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

    假设有这样一个需求:我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据,此时可以考虑使用多线程,每个线程解析一个sheet里的数据,等到所有的sheet都解析完之后,程序需要提示解析完成。在这个需求中,要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作,最简单的做法是使用join()方法


    JoinCountDownLatchTest.java

    join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。其中,wait(0)表示永远等待下去,代码片段如下。


    直到join线程中止后,线程的this.notifyAll()方法会被调用.
    在JDK 1.5之后的并发包中提供的CountDownLatch也可以实现join的功能,并且比join的功能更多

    public class CountDownLatchTest {
        static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(1);
                    c.countDown();
                    System.out.println(2);
                    c.countDown();
                }
            }).start();
            c.await();
            System.out.println("3");
        }
    }
    

    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。

    调用CountDownLatch的countDown方法时,N就会减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。

    如果有某个解析sheet的线程处理得比较慢,我们不可能让主线程一直等待,所以可以使用另外一个带指定时间的await方法——await(long time,TimeUnit unit),这个方法等待特定时 间后,就会不再阻塞当前线程。join也有类似的方法。

    注意:计数器必须大于等于0,只是等于0时候,计数器就是零,调用await方法时不会阻塞当前线程。CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数器的值。一个线程调用countDown方法happen-before,另外一个线程调用await方法。


    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简介

    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。

    import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
    
    public class CyclicBarrierTest {
        static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
        public static void main(String[] args) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        c.await();
                    } catch (Exception e) {
                    }
                    System.out.println(1);
                }
            }).start();
    
            try {
                c.await();
            } catch (Exception e) {
    
            }
            System.out.println(2);
        }
    }
    

    因为主线程和子线程的调度是由CPU决定的,两个线程都有可能先执行,所以会产生两种
    输出,第一种可能输出如下。

    第二种可能输出如下。


    如果把new CyclicBarrier(2)修改成new CyclicBarrier(3),则主线程和子线程会永远等待,因为没有第三个线程执行await方法,即没有第三个线程到达屏障,所以之前到达屏障的两个线程都不会继续执行。

    CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(int parties,Runnable barrier�Action),用于在线程达屏障时,优先执行barrierAction,方便处理更复杂的业务场景


    CyclicBarrier的应用场景

    CyclicBarrier可以用于多线程计算数据,最后合并计算结果的场景。等待所有指定数量完成后进行统一操作.

    CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

    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。

    CyclicBarrier还提供其他有用的方法,比如getNumberWaiting方法可以获得Cyclic-Barrier阻塞的线程数量。isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断。

    import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
    
    public class CyclicBarrierTest3 {
    
        static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2);
    
        public static void main(String[] args) throws Exception{
            Thread thread = new Thread(() -> {
                try {
                    barrier.await();
                } catch (Exception e) {
                }
            });
            thread.start();
            thread.interrupt();
            try {
                barrier.await();
            } catch (Exception e) {
                System.out.println(barrier.isBroken());
            }
        }
    }
    

    输出结果:

    true


    控制并发线程数的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。

    应用场景

    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。

    假如,有一个需求,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。这个时候,就可以使用Semaphore来做流量控制.

    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.Semaphore;
    
    public class SemaphoreTest {
        private static final int THREAD_COUNT = 30;
        private static ExecutorService threadPool = Executors
                .newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
    
        static int counter  = 1;
    
        private static Semaphore s = new Semaphore(10);
        public static void main(String[] args) {
            for (int i = 0; i< THREAD_COUNT; i++) {
                threadPool.execute(() -> {
                    try {
                        s.acquire();
                        System.out.println("save data "+counter++);
                        s.release();
                    } catch (InterruptedException ignored) {
                    }
                });
            }
            threadPool.shutdown();
        }
    }
    

    在代码中,虽然有30个线程在执行,但是只允许10个并发执行。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(10)表示允许10个线程获取许可证,也就是最大并发数是10。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()方法归还许可证。还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证。

    其他方法

    Semaphore还提供一些其他方法,具体如下。

    • intavailablePermits():返回此信号量中当前可用的许可证数。
    • intgetQueueLength():返回正在等待获取许可证的线程数。
    • booleanhasQueuedThreads():是否有线程正在等待获取许可证。
    • void reducePermits(int reduction):减少reduction个许可证,是个protected方法。
    • Collection getQueuedThreads():返回所有等待获取许可证的线程集合,是个protected方法。

    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方法,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。

    Exchanger的应用场景

    • Exchanger可以用于遗传算法,遗传算法里需要选出两个人作为交配对象,这时候会交换两人的数据,并使用交叉规则得出2个交配结果。
    • Exchanger也可以用于校对工作,比如我们需要将纸制银行流水通过人工的方式录入成电子银行流水,为了避免错误,采用AB岗两人进行录入,录入到Excel之后,系统需要加载这两个Excel,并对两个Excel数据进行校对,看看是否录入一致
    import java.util.concurrent.Exchanger;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    public class ExchangerTest {
        private static final Exchanger<String> exgr = new Exchanger<String>();
        private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
        public static void main(String[] args) {
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        String A = "银行流水A"; // A录入银行流水数据
                        exgr.exchange(A);
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
            });
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        String B = "银行流水B"; // B录入银行流水数据
                        String A = exgr.exchange("B");
                        System.out.println("A和B数据是否一致:" + A.equals(B) + ",A录入的是:"
                                + A + ",B录入是:" + B);
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
            });
            threadPool.shutdown();
        }
    }
    

    如果两个线程有一个没有执行exchange()方法,则会一直等待,如果担心有特殊情况发生,避免一直等待,可以使用exchange(V x,longtimeout,TimeUnit unit)设置最大等待时长。


    参考书籍:《Java并发编程的艺术》

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