《Java并发编程的艺术》读后笔记-Java中的并发工具类(第八章)
文章目录
- 《Java并发编程的艺术》读后笔记-Java中的并发工具类(第八章)
- 1.等待多线程完成的CountDownLatch
- 2.同步屏障CyclicBarrier
- 2.1 CyclicBarrier简介
- 2.2 CyclicBarrier应用场景
- 2.3 CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
- 3.控制并发线程数的Semaphore
- 3.1 Semaphore简介
- 3.2 Semaphore应用场景
- 4.线程间交换数据的Exchanger
- 4.1 Exchanger简介
- 4.2 Exchanger应用场景
《Java并发编程的艺术》读后笔记-Java中的并发工具类(第八章)
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。
我们先看下面这个例子理解一下:
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。
使用join()
方法的代码如下:
/*** @author xppll* @date 2022/1/13 14:18*/
public class JoinCountDownLatchTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread parse1 = new Thread(() -> {});Thread parse2 = new Thread(() -> {System.out.println("parse2 finish");});parse1.start();parse2.start();parse2.join();parse2.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
使用CountDownLatch
的代码如下:
/*** @author xppll* @date 2022/1/13 14:23*/
public class CountDownLatchTest {static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {System.out.println(1);c.countDown();System.out.println(2);c.countDown();}).start();//阻塞主线程,只有计数器为0了,才不会阻塞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。
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。
2.同步屏障CyclicBarrier
2.1 CyclicBarrier简介
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:
/*** @author xppll* @date 2022/1/13 14:36*/
public class CyclicBarrierTest {static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {try {c.await();} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(1);}).start();try {c.await();} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException 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 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。
代码如下:
/*** @author xppll* @date 2022/1/13 14:40*/
public class CyclicBarrierTest2 {static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {try {c.await();} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(1);}).start();try {c.await();} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(2);}static class A implements Runnable {@Overridepublic 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
2.2 CyclicBarrier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。
代码如下:
/*** 银行流水处理服务类*/
public class BankWaterService implements Runnable {//创建4给屏障,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给sheet,所以只启动4个线程private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4);//保存每个sheet计算出的银行流水结果private ConcurrentHashMap<String, Integer> sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap<String, Integer>();private void count() {for (int i = 0; i < 4; i++) {executor.execute(() -> {//计算当前sheet的银流数据sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);//银流计算法完成,插入一个屏障try {//计数减一c.await();} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}});}}@Overridepublic 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 bankWaterService = new BankWaterService();bankWaterService.count();}
}
//输出:
4
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CyclicBarrier阻塞的线程数量。isBroken()
方法用来了解阻塞的线程是否被中断。
代码如下:
/*** @author xppll* @date 2022/1/13 15:24*/
public class CyclicBarrierTest3 {static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);public static void main(String[] args) {Thread thread = new Thread(() -> {try {c.await();} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}});thread.start();thread.interrupt();try {c.await();} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();System.out.println(c.isBroken());}}
}
//输出:
true
3.控制并发线程数的Semaphore
3.1 Semaphore简介
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。
打个比方:
把Semaphore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
3.2 Semaphore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。
代码如下:
/*** @author xppll* @date 2022/1/13 15:32*/
public class SemaphoreTest {public 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(() -> {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。
其他方法:
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。
4.线程间交换数据的Exchanger
4.1 Exchanger简介
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。
4.2 Exchanger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。
关于第二个应用场景的代码举例:
/*** @author xppll* @date 2022/1/13 16:14*/
public class ExchangerTest {public static final Exchanger<String> exgr = new Exchanger<String>();private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);public static void main(String[] args) {threadPool.execute(() -> {try {//A录入银行流水数据String A = "银行流水A";exgr.exchange(A);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});threadPool.execute(() -> {try {//B录入银行流水数据String B = "银行流水B";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) {e.printStackTrace();}});threadPool.shutdown();}
}
//输出:
A和B数据是否一致:false,A录入的是:银行流水A,B录入是:银行流水B
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。
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