Java并发编程—线程同步类
原文作者:洲洋1984
原文地址:Java 并发包中的高级同步工具
Java 中的并发包指的是 java.util.concurrent(简称 JUC)包和其子包下的类和接口,它为 Java 的并发提供了各种功能支持,比如:
- 提供了线程池的创建类 ThreadPoolExecutor、Executors 等;
- 提供了各种锁,如 Lock、ReentrantLock 等;
- 提供了各种线程安全的数据结构,如 ConcurrentHashMap、LinkedBlockingQueue、DelayQueue 等;
- 提供了更加高级的线程同步结构,如 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 、Phaser等。
在前面的章节中我们已经详细地介绍了线程池的使用、线程安全的数据结构等,本文我们就重点学习一下 Java 并发包中更高级的线程同步类:CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 和 Phaser 等。
一、CountDownLatch 介绍和使用
CountDownLatch(闭锁)可以看作一个只能做减法的计数器,可以让一个或多个线程等待排队执行。CountDownLatch 有两个重要的方法:
- countDown():使计数器减 1;
- await():当计数器不为 0 时,则调用该方法的线程阻塞,当计数器为 0 时,可以唤醒等待的一个或者全部线程。
CountDownLatch 使用场景:以生活中的情景为例,比如去医院体检,通常人们会提前去医院排队,但只有等到医生开始上班,才能正式开始体检,医生也要给所有人体检完才能下班,这种情况就要使用 CountDownLatch,流程为:患者排队 → 医生上班 → 体检完成 → 医生下班。
CountDownLatch 示例代码如下:
// 医院闭锁
CountDownLatch hospitalLatch = new CountDownLatch(1);
// 患者闭锁
CountDownLatch patientLatch = new CountDownLatch(5);
System.out.println("患者排队");
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 5; i++) {final int j = i;executorService.execute(() -> {try {hospitalLatch.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("体检:" + j);patientLatch.countDown();});
}
System.out.println("医生上班");
hospitalLatch.countDown();
patientLatch.await();
System.out.println("医生下班");
executorService.shutdown();
以上程序执行结果如下:
患者排队
医生上班
体检:4
体检:0
体检:1
体检:3
体检:2
医生下班
二、CyclicBarrier 介绍和使用
CyclicBarrier(循环屏障),通过它可以实现让一组线程等待满足某个条件后同时执行。CyclicBarrier 经典使用场景是公交发车,为了简化理解我们这里定义,每辆公交车只要上满 4 个人就发车,后面来的人都会排队依次遵循相应的标准。
它的构造方法为 CyclicBarrier(int parties,Runnable barrierAction)
其中,parties 表示有几个线程来参与等待,barrierAction 表示满足条件之后触发的方法。CyclicBarrier 使用 await() 方法来标识当前线程已到达屏障点,然后被阻塞。
CyclicBarrier 示例代码如下:
import java.util.concurrent.*;
public class CyclicBarrierTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4, new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("发车了");}});for (int i = 0; i < 4; i++) {new Thread(new CyclicWorker(cyclicBarrier)).start();}}static class CyclicWorker implements Runnable {private CyclicBarrier cyclicBarrier;CyclicWorker(CyclicBarrier cyclicBarrier) {this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 2; i++) {System.out.println("乘客:" + i);try {cyclicBarrier.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}}}}
}
以上程序执行结果如下:
乘客:0
乘客:0
乘客:0
乘客:0
发车了
乘客:1
乘客:1
乘客:1
乘客:1
发车了
三、Semaphore 介绍和使用
Semaphore(信号量)用于管理多线程中控制资源的访问与使用。Semaphore 就好比停车场的门卫,可以控制车位的使用资源。比如来了 5 辆车,只有 2 个车位,门卫可以先放两辆车进去,等有车出来之后,再让后面的车进入。
Semaphore 示例代码如下:
Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
ThreadPoolExecutor semaphoreThread = new ThreadPoolExecutor(10, 50, 60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>());
for (int i = 0; i < 5; i++) {semaphoreThread.execute(() -> {try {// 堵塞获取许可semaphore.acquire();System.out.println("Thread:" + Thread.currentThread().getName() + " 时间:" + LocalDateTime.now());TimeUnit.SECONDS.sleep(2);// 释放许可semaphore.release();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});
}
以上程序执行结果如下:
Thread:pool-1-thread-1 时间:2019-07-10 21:18:42
Thread:pool-1-thread-2 时间:2019-07-10 21:18:42
Thread:pool-1-thread-3 时间:2019-07-10 21:18:44
Thread:pool-1-thread-4 时间:2019-07-10 21:18:44
Thread:pool-1-thread-5 时间:2019-07-10 21:18:46
四、Phaser(移相器)
是 JDK 7 提供的,它的功能是等待所有线程到达之后,才继续或者开始进行新的一组任务。比如有一个旅行团,我们规定所有成员必须都到达指定地点之后,才能发车去往景点一,到达景点之后可以各自游玩,之后必须全部到达指定地点之后,才能继续发车去往下一个景点,类似这种场景就非常适合使用 Phaser。
Phaser 示例代码如下:
public class Lesson5\_6 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Phaser phaser = new MyPhaser();PhaserWorker[] phaserWorkers = new PhaserWorker[5];for (int i = 0; i < phaserWorkers.length; i++) {phaserWorkers[i] = new PhaserWorker(phaser);// 注册 Phaser 等待的线程数,执行一次等待线程数 +1phaser.register();}for (int i = 0; i < phaserWorkers.length; i++) {// 执行任务new Thread(new PhaserWorker(phaser)).start();}}static class PhaserWorker implements Runnable {private final Phaser phaser;public PhaserWorker(Phaser phaser) {this.phaser = phaser;}@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " | 到达" );phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 集合完毕发车try {Thread.sleep(new Random().nextInt(5) * 1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " | 到达" );phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 景点 1 集合完毕发车Thread.sleep(new Random().nextInt(5) * 1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " | 到达" );phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 景点 2 集合完毕发车} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}// Phaser 每个阶段完成之后的事件通知static class MyPhaser extends Phaser{@Overrideprotected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) { // 每个阶段执行完之后的回调switch (phase) {case 0:System.out.println("==== 集合完毕发车 ====");return false;case 1:System.out.println("==== 景点1集合完毕,发车去下一个景点 ====");return false;case 2:System.out.println("==== 景点2集合完毕,发车回家 ====");return false;default:return true;}}}
}
以上程序执行结果如下:
Thread-0 | 到达
Thread-4 | 到达
Thread-3 | 到达
Thread-1 | 到达
Thread-2 | 到达
==== 集合完毕发车 ====
Thread-0 | 到达
Thread-4 | 到达
Thread-1 | 到达
Thread-3 | 到达
Thread-2 | 到达
==== 景点1集合完毕,发车去下一个景点 ====
Thread-4 | 到达
Thread-3 | 到达
Thread-2 | 到达
Thread-1 | 到达
Thread-0 | 到达
==== 景点2集合完毕,发车回家 ====
相关面试题
1.以下哪个类用于控制某组资源的访问权限?
- A:Phaser
- B:Semaphore
- C:CountDownLatch
- D:CyclicBarrier
答:B
2.以下哪个类不能被重用?
- A:Phaser
- B:Semaphore
- C:CountDownLatch
- D:CyclicBarrier
答:C
3.以下哪个方法不属于 CountDownLatch 类?
- A:await()
- B:countDown()
- C:getCount()
- D:release()
答:D。release() 是 Semaphore 的释放许可的方法,CountDownLatch 类并不包含此方法。
4.CyclicBarrier 与 CountDownLatch 有什么区别?
答:CyclicBarrier 与 CountDownLatch 本质上都是依赖 volatile 和 CAS 实现的,它们区别如下:
- CountDownLatch 只能使用一次,而 CyclicBarrier 可以使用多次。
- CountDownLatch 是手动指定等待一个或多个线程执行完成再执行,而 CyclicBarrier 是 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。
5.以下哪个类不包含 await() 方法?
- A:Semaphore
- B:CountDownLatch
- C:CyclicBarrier
答:A
6.以下程序执行花费了多长时间?
Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
ThreadPoolExecutor semaphoreThread = new ThreadPoolExecutor(10, 50, 60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>());
for (int i = 0; i < 3; i++) {semaphoreThread.execute(() -> {try {semaphore.release();System.out.println("Hello");TimeUnit.SECONDS.sleep(2);semaphore.acquire();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});
}
- A:1s 以内
- B:2s 以上
答:A。循环先执行了 release() 也就是释放许可的方法,因此程序可以一次性执行 3 个线程,同时会在 1s 以内执行完。
7.Semaphore 有哪些常用的方法?
答:常用方法如下:
- acquire():获取一个许可。
- release():释放一个许可。
- availablePermits():当前可用的许可数。
- acquire(int n):获取并使用 n 个许可。
- release(int n):释放 n 个许可。
8.Phaser 常用方法有哪些?
答:常用方法如下:
- register():注册新的参与者到 Phaser
- arriveAndAwaitAdvance():等待其他线程执行
- arriveAndDeregister():注销此线程
- forceTermination():强制 Phaser 进入终止态
- isTerminated():判断 Phaser 是否终止
9.以下程序是否可以正常执行?“发车了”打印了多少次?
import java.util.concurrent.*;
public class TestMain {public static void main(String[] args) {CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4, new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("发车了");}});for (int i = 0; i < 4; i++) {new Thread(new CyclicWorker(cyclicBarrier)).start();}}static class CyclicWorker implements Runnable {private CyclicBarrier cyclicBarrier;CyclicWorker(CyclicBarrier cyclicBarrier) {this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 2; i++) {System.out.println("乘客:" + i);try {cyclicBarrier.await();System.out.println("乘客 II:" + i);cyclicBarrier.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}}}}
}
答:可以正常执行,因为执行了两次 await(),所以“发车了”打印了 4 次。
总结
本文我们介绍了四种比 synchronized 更高级的线程同步类,其中 CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser 功能比较类似都是实现线程间的等待,只是它们的侧重点有所不同,其中 CountDownLatch 一般用于等待一个或多个线程执行完,才执行当前线程,并且 CountDownLatch 不能重复使用;CyclicBarrier 用于等待一组线程资源都进入屏障点再共同执行;Phaser 是 JDK 7 提供的功能更加强大和更加灵活的线程辅助工具,等待所有线程达到之后,继续或开始新的一组任务,Phaser 提供了动态增加和消除线程同步个数功能。而 Semaphore 提供的功能更像锁,用于控制一组资源的访问权限。
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