Java控制并发流程

什么是控制并发流程

控制并发流程的工具类，作用就是帮助我们程序员更容易的让线程之间合作，让线程之间相互配合来满足业务逻辑；
比如让线程A等待线程B执行完毕后再执行等合作策略

有哪些控制并发流程的工具类

类 作用 说明
Semaphore 信号量，可以通过控制“许可证”的数量，来保证线程之间的配合 线程只有在拿到“许可证”后才能继续运行，相比于其他的同步器，更灵活
CyclicBarrier 线程会等待，直到足够多线程达到了事先规定的数目。一旦达到触发条件，就可以进行下一步的动作 适用于线程之间相互等待处理结果就绪的场景
Phaser 和CyclicBarrier类似，但是计数可变 Java7加入的
CountDownLatch 和CyclicBarrier类似，数量递减到0时，触发动作 不可重复使用
Exchanger 让两个线程在合适时交换对象 适用场景：当两个线程工作在同一个类的不同实例上时，用于交换数据
Condition 可以控制线程的“等待”和“唤醒” 是Object.wait()的升级版

1：CountDownLatch

倒数结束之前，一直处于等待状态，直到倒计时结束了，此线程才继续工作

  • CountDownLatch(int count)：仅有一个构造函数，参数count为需要倒数的数值
  • await()：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
  • countDown()：将count值减1，直到为0时，等待的线程会被唤起
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * 模拟100米跑步，5名选手都准备好了，只等裁判员一声令下，所有人同时开始跑步
 */
public class CountDownLatchDemo2 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch end = new CountDownLatch(5);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int no = i + 1;
            Runnable runnable = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("No." + no + "准备完毕，等待发令枪");
                    try {
                        begin.await();
                        System.out.println("No." + no + "开始跑步了");
                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                        System.out.println("No." + no + "到达终点");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        end.countDown();
                    }
                }
            };
            service.submit(runnable);
        }
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("发令枪响，比赛开始");
        begin.countDown();

        end.await();
        System.out.println("所有人到达终点，比赛结束");
    }

}

2：Semaphore（信号量）

Semaphore可以用来限制或管理数量有限的资源的使用情况
信号量的作用是维护一个“许可证”的计数，线程可以获取许可证，那信号量剩余的许可证就减1，线程也可以释放一个许可证，那信号量剩余的许可证就加1，当信号量所拥有的许可证数量为0，那么下一个还想要获取许可证的线程，就需要等待，直到有另外的线程释放了许可证
信号量使用流程
1、初始化Semaphore并指定许可证的数量
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
2、在需要被限制的代码前加acquire()或者acquireUninterruptibly()方法，两者区别在于acquire()可以响应中断，acquireUninterruptibly()不能响应中断
semaphore.acquire();
3、在任务执行结束后，调用release()来释放许可证
semaphore.release();
信号量主要方法介绍

  • new Semaphore(int permits, boolean fair)
    这里可以设置是否使用公平策略，如果传入true，那么Semaphore会把之前等待的线程放到FIFO的队列里，以便于当有了新的许可证，可以分发给之前等了最长时间的线程；如果是非公平的话，可以在一定程度上插队
  • tryAcquire()
    看看现在有没有空闲的许可证，如果有的话就获取，如果没有的话也没关系，我不必陷入阻塞，我可以去做别的事，过一会再来查看许可证的空闲情况
  • tryAcquire(timeout)
    和tryAcquire()一样，但是多了一个超时时间，比如“在3秒内获取不到许可证，我就去做别的事”
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreDemo {

    /**
     * 设置总共有3个许可证
     */
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(3, true);

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(50);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            service.submit(new Task());
        }
        service.shutdown();
    }

    static class Task implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                // 获得几个许可证，则需要释放几个许可证（此处也可以填写1、2、3）
//                semaphore.acquire(2); // 获取2个许可证
                semaphore.acquire();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到了许可证");
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了许可证");
            // 释放对应数量的许可证（对应获取的许可证数量）
//            semaphore.release(2); //释放2个许可证
            semaphore.release();
        }
    }

}

信号量特殊用法：

  • 一次获取或释放多个许可证
    比如TaskA会调用很消耗资源的method1()，而TaskB调用的不太消耗资源的method2()，假设我们一共有5个许可证，那么我们就可以要去TaskA获取5个许可证才能执行，而TaskB只需要获取到一个许可证就能执行，这样就避免了A和B同时运行的情况，我们可以根据自己的需求合理分配资源

注意点：

  1. 获取和释放的许可证数量必须一致，比如每次都获取2个但是只释放1个甚至不释放，随着时间的推移，到最后许可证数量不够用，会导致程序卡死
  2. 注意在初始化Semaphore的时候设置公平性，一般设置为true会更合理
  3. 并不是必须由获取许可证的线程释放那个许可证，事实上，获取和释放许可证对线程并无要求，也许是A获取了，然后由B释放，只要逻辑合理即可
  4. 信号量的作用，除了控制临界区最多同时有N个线程访问外，另一个作用是可以实现“条件等待”，例如线程1需要在线程2完成准备工作后才能开始工作，那么就线程1 acquire()，而线程2完成任务后release()，这样的话，相当于是轻量级的CountDownLatch

3：Condition接口（又称条件对象）

  • 当线程1需要等待某个条件的时候，它就去执行condition.await()方法，一旦执行了await()方法，线程就会进入阻塞状态
  • 然后通常会有另外一个线程，假设是线程2，去执行对应的条件，直到这个条件达成的时候，线程2就会去执行condition.signal()方法，这时JVM就会从被阻塞的线程里找，找到那些等待该condition的线程，当线程1收到可执行信号的时候，它的线程状态就会变成Runnable可执行状态

signalAll()和signal()区别

  • signalAll()会唤起所有的正在等待的线程
  • signal()是公平的，只会唤起等待时间最长的那个线程

使用Condition实现生产者消费者模式

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 演示用Condition实现生产者消费者模式
 */
public class ConditionDemo2 {

    private final PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>();
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) {
        ConditionDemo2 conditionDemo2 = new ConditionDemo2();
        Producer producer = conditionDemo2.new Producer();
        Consumer consumer = conditionDemo2.new Consumer();
        producer.start();
        consumer.start();
    }

    /**
     * 消费者
     */
    class Consumer extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            consume();
        }

        private void consume() {
            while (true) {
                lock.lock();
                try {
                    while (queue.size() == 0) {
                        System.out.println("队列空，等待数据");
                        try {
                            notEmpty.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    // 取数据
                    queue.poll();
                    // 取完一个数据后，立马唤醒生产者继续生产
                    notFull.signalAll();
                    System.out.println("从队列里取走了一个数据，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 生产者
     */
    class Producer extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }

        private void produce() {
            while (true) {
                lock.lock();
                try {
                    int queueSize = 10;
                    while (queue.size() == queueSize) {
                        System.out.println("队列满，等待有空余");
                        try {
                            notFull.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    // 生产数据
                    queue.offer(1);
                    // 唤醒消费者继续消费
                    notEmpty.signalAll();
                    System.out.println("从队列里插入了一个数据，队列剩余空间" + (queueSize - queue.size()));
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

}

Condition注意点

  1. 实际上，如果说Lock用了代替synchronized，那么Condition就是用了代替相对应的Object.wait/notify的，所以在用法和性质上，几乎都一样
  2. await方法会自动释放持有的Lock锁，和Object.wait一样，不需要自己手动先释放锁
  3. 调用await的时候，必须持有锁，否则会抛出异常，和Object.wait一样

4：CyclicBarrier（循环栅栏）

CyclicBarrier（循环栅栏）和CountDownLatch很类似，都能阻塞一组线程
当有大量线程相互配合，分别计算不同任务，并且需要最后统一汇总的时候，我们可以使用CyclicBarrier。
CyclicBarrier可以构造一个集结点，当某一个线程执行完毕，它就会到集结点等待，直到所有线程都到了集结点，那么该栅栏就会被撤销，所有线程再统一出发，继续执行剩下的任务

演示CyclicBarrier

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

/**
 * 演示CyclicBarrier
 */
public class CyclicBarrierDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 规定5个人
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("所有人都到齐了，大家统一出发");
            }
        });

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // 启动5个线程
            new Thread(new Task(i, cyclicBarrier)).start();
        }
    }

    static class Task implements Runnable {

        private int id;
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;

        public Task(int id, CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.id = id;
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程" + id + "现在前往集合地点");
            try {
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                System.out.println("线程" + id + "已经到了集合地点，等待其他人到达");
                // 等待其他人
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("线程" + id + "出发了");
            } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

  • 作用不同：CyclicBarrier要等固定数量的线程都到达了栅栏位置才能继续执行，而CountDownLatch只需等待数字到0，也就是说，CountDownLatch用于事件，而CyclicBarrier是用于线程的
  • 可重用性不同：CountDownLatch在倒数到0并触发门闩打开后，就不能再次使用了，除非新建新的实例；而CyclicBarrier是可以重复使用的。
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