第八章 并发工具类
并发包提供的并发工具类。并发编程的瑞士军刀。
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。
8.1 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。
代码清单8-1 JoinCountDownLatchTest.java
public class JoinCountDownLatchTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
});
Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("parser2 finish");
}
});
parser1.start();
parser2.start();
parser1.join();
parser2.join();
System.out.println("all parser finish");
}
}
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。
while (isAlive()) {
wait(0);
}
直到join线程中止后，线程的this.notifyAll()方法会被调用，调用notifyAll()方法是在JVM里实现的，所以在JDK里看不到，大家可以查看JVM源码。
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，如代码清单8-2所示。
代码清单8-2 CountDownLatchTest.java
public class CountDownLatchTest {
staticCountDownLatch 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。
当我们调用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。
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。
8.2 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
代码清单8-3 CyclicBarrierTest.java
public class CyclicBarrierTest {
staticCyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}S
ystem.out.println(1);
}
}).start();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}S
ystem.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。
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 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。
代码清单8-4 CyclicBarrierTest2.java
package chapter8;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
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。312
CyclicBarrier可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。
代码清单8-5 BankWaterService.java
package chapter8;
import java.util.Map.Entry;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* 银行流水处理服务类
*/
public class BankWaterService implements Runnable {
@Override
public void run() {
int result = 0;
// 汇总每个sheet计算出的结果
for (Entry<String, Integer> sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
result += sheet.getValue();
}
// 将结果输出
sheetBankWaterCount.put("result", result);
System.out.println(result);
}
/**
* 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 |
BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
public static void main(String[] args) {
BankWaterService bankWaterCount = new BankWaterService();
bankWaterCount.count();
}
}
8.2.3 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。
代码清单8-5执行完之后会
返回true，其中isBroken的使用代码如代码清单8-6所示。
代码清单8-6 CyclicBarrierTest3.java
package chapter8;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
/**
* CyclicBarrier
*/
public class CyclicBarrierTest {
private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) {
Thread t = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
});
t.start();
t.interrupt();
try {
barrier.await();
} catch (Exception e) {
System.out.println(barrier.isBroken()); // true
e.printStackTrace();
}
}
}
8.3 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。
比作是控制流量的红绿灯。比如××马路要限制流量，只允许同时有一百辆车在这条路上行使，其他的都必须在路口等待，所以前一百辆车会看到绿灯，可以开进这条马路，后面的车会看到红灯，不能驶入××马路，但是如果前一百辆中有5辆车已经离开了××马路，那么后面就允许有5辆车驶入马
路，这个例子里说的车就是线程，驶入马路就表示线程在执行，离开马路就表示线程执行完成，看见红灯就表示线程被阻塞，不能执行。
1.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。
代码清单8-7 SemaphoreTest.java
package chapter8;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
/**
* Semaphore
*/
public class SemaphoreTest {
private static final int THREAD_COUNT = 30;
private static final ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
private static final Semaphore s = new Semaphore(10);
public static void main(String[] args) {
for (int i=0;i<THREAD_COUNT;i++){
pool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
s.acquire();
System.out.println("save data");
s.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
pool.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。
2.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。
8.4 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。
下面来看一下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。
package chapter8;
import java.util.concurrent.Exchanger;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* Exchanger
*/
public class ExchangerTest {
private static final Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();
private static final ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
public static void main(String[] args) {
pool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String A = "AA1";
try {
exchanger.exchange(A);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
pool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String B = "BB";
try {
String A = exchanger.exchange("");
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) {
e.printStackTrace();
}
}
});
pool.shutdown();
}
// A和B数据是否一致：false，A录入的是：AA1，B录入是：BB
}
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。
