转《Java并发编程的艺术-第8章》

1.等待多线程完成的CountDownLatch

JDk1.5提供了一个非常有用的包，Concurrent包，这个包主要用来操作一些并发操作，提供一些并发类，可以方便在项目当中傻瓜式应用。

JDK1.5以前，使用并发操作，都是通过Thread，Runnable来操作多线程；但是在JDK1.5之后，提供了非常方便的线程池（ThreadExecutorPool），主要代码由大牛Doug Lea完成，其实是在jdk1.4时代，由于java语言内置对多线程编程的支持比较基础和有限，所以他写了这个，因为实在太过于优秀，所以被加入到jdk之中；

这次主要对CountDownLatch进行系统的讲解

使用场景：比如对于马拉松比赛，进行排名计算，参赛者的排名，肯定是跑完比赛之后，进行计算得出的，翻译成Java识别的预发，就是N个线程执行操作，主线程等到N个子线程执行完毕之后，在继续往下执行。

代码示例

public static void testCountDownLatch(){
        
        int threadCount = 10;
        
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadCount);
        
        for(int i=0; i< threadCount; i++){
             
            new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {

                    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getId() + "开始出发");

                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getId() + "已到达终点");

                    latch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("10个线程已经执行完毕！开始计算排名");
    }

执行结果：

线程10开始出发
线程13开始出发
线程12开始出发
线程11开始出发
线程14开始出发
线程15开始出发
线程16开始出发
线程17开始出发
线程18开始出发
线程19开始出发
线程14已到达终点
线程15已到达终点
线程13已到达终点
线程12已到达终点
线程10已到达终点
线程11已到达终点
线程16已到达终点
线程17已到达终点
线程18已到达终点
线程19已到达终点
10个线程已经执行完毕！开始计算排名

主要方法：

• void await() //当前线程等待计数器为0
• boolean await(long timeout, TimeUnit unit) //与上面的方法不同，它加了一个时间限制。
• void countDown() //计数器减1
• long getCount() //获取计数器的值

实现方式：
它的内部有一个辅助的内部类：Sync（继承至AQS）

await() 方法的实现:

    public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg); //加入到等待队列中
    }

countDown() 方法的实现:
    public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }

    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared(); //解锁
            return true;
        }
        return false;
    }

2.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。示例代码如下所示。

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) {
                    e.printStackTrace();
                } 
                System.out.println(1);
            }
        }).start();
        try {
            c.await();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }  
        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。

1
2

第二种可能输出如下。

2
1

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），用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景

public class CyclicBarrierTest2 {
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2,new A());

    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);
    }

    static class A implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(3);
        }
    }
}

因为CyclicBarrier设置了拦截线程的数量是2，所以必须等代码中的第一个线程和线程A都执行完之后，才会继续执行主线程，然后输出2，所以代码执行后的输出如下。

3
1
2

CyclicBarrier可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。例如，用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个账户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个sheet里的银行流水，都执行完之后，得到每个sheet的日均银行流水，最后，再用barrierAction用这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水，如代码清单8-5所示。

public class BankWaterService implements Runnable{

    /**
     * 创建4个屏障，处理完之后执行当前类的run方法
     */
    private CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(4, this);
    /**
     * 假设只有4个sheet，所以只启动4个线程
     */
    private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
    /**
     * 保存每个sheet计算出的银流结果
     */
    private ConcurrentHashMap<String, Integer>sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap<String, Integer>();
    private void count(){
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 计算当前sheet的银流数据，计算代码省略
                    sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
                    // 银流计算完成，插入一个屏障
                    try {
                        c.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        int result = 0;
        for (Map.Entry<String, Integer> sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
            result += sheet.getValue();
        }
        sheetBankWaterCount.put("result", result);
        System.out.println(result);
    }

    public static void main(String[] args) {
        BankWaterService bankWaterService = new BankWaterService();
        bankWaterService.count();
    }
}

使用线程池创建4个线程，分别计算每个sheet里的数据，每个sheet计算结果是1，再由BankWaterService线程汇总4个sheet计算出的结果，输出结果如下。

4

3.CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

应用场景区别

CountDownLatch : 一个线程(或者多个)， 等待另外N个线程完成某个事情之后才能执行。
CyclicBarrier : N个线程相互等待，任何一个线程完成之前，所有的线程都必须等待。

这样应该就清楚一点了，对于CountDownLatch来说，重点是那个“一个线程”, 是它在等待， 而另外那N的线程在把“某个事情”做完之后可以继续等待，可以终止。

而对于CyclicBarrier来说，重点是那N个线程，他们之间任何一个没有完成，所有的线程都必须等待。

CountDownLatch 是计数器, 线程完成一个就记一个, 就像 报数一样, 只不过是递减的.

而CyclicBarrier更像一个水闸, 线程执行就想水流, 在水闸处都会堵住, 等到水满(线程到齐)了, 才开始泄流.

使用区别

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

4.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

public class SemaphoreTest {
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();
}

}

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。

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。