Java中的并发工具类

CountDownLatch – 等待多线程完成

假如有这样一个需求：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

public class JoinCountDownLatchTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("parser1 finish");
            }
        });
        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
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

CountDownLatch也可以实现join的功能,代码如下：

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
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
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

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 – 同步屏障

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：

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：1、2和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 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,如下：

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.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,如下;

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 | BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        int result = 0;
        // 汇总每个sheet计算出的结果
        for (Map.Entry<String, Integer> sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
            result += sheet.getValue();
        }

        // 将结果输出
        sheetBankWaterCount.put("result", result);
        System.out.println(result);
    }

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

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.其中isBroken的使用代码如下：

public class CyclicBarrierTest3 {
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    c.await();
                } catch (Exception e) {
                }
            }
        });
        thread.start();
        thread.interrupt();
        try {
            c.await();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(c.isBroken());
        }
    }
}

Semaphore – 控制并发线程数

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,如下：

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) {
                    }
                }
            });
        }
        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

Exchanger – 线程间交换数据

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

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,代码如下：

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