java多執行緒與併發 - 併發工具類

b9x_發表於2018-03-09
Java執行緒

來源：http://blog.csdn.net/sunxianghuang/article/details/52277394

在JDK的併發包裡提供了幾個非常有用的併發工具類。CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore工具類提供了一種併發流程控制的手段，Exchanger工具類則提供了線上程間交換資料的一種手段。本章會配合一些應用場景來介紹如何使用這些工具類。

等待多執行緒完成的CountDownLatch
CountDownLatch允許一個或多個執行緒等待其他執行緒完成操作。
假如有這樣一個需求：我們需要解析一個Excel裡多個sheet的資料，此時可以考慮使用多執行緒，每個執行緒解析一個sheet裡的資料，等到所有的sheet都解析完之後，程式需要提示解析完成（或者彙總結果）。在這個需求中，要實現主執行緒等待所有執行緒完成sheet的解析操作，最簡單的做法是使用join()方法，如程式碼清單8-1所示。

import java.util.Random;  
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;  

public class JoinCountDownLatchTest {  
    private static Random sr=new Random(47);   
    private static AtomicInteger result=new AtomicInteger(0);  
    private static int threadCount=10;  
    private static class Parser implements Runnable{   
        String name;  
        public Parser(String name){  
            this.name=name;  
        }  
        @Override  
        public void run() {  
            int sum=0;  
            int seed=Math.abs(sr.nextInt()) ;  
            Random r=new Random(47);   
            for(int i=0;i<100;i++){    
                sum+=r.nextInt(seed);  
            }    
            result.addAndGet(sum);  
            System.out.println(name+"執行緒的解析結果："+sum);  
        }   
    }  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        Thread[] threads=new Thread[threadCount];  
        for(int i=0;i<threadCount;i++){  
            threads[i]=new Thread(new Parser("Parser-"+i));  
        }   
        for(int i=0;i<threadCount;i++){  
            threads[i].start();  
        }   
        for(int i=0;i<threadCount;i++){  
            threads[i].join();  
        }   
        System.out.println("所有執行緒解析結束！");  
        System.out.println("所有執行緒的解析結果："+result);  
    }   
}

輸出：
Parser-1執行緒的解析結果：-2013585201
Parser-0執行緒的解析結果：1336321192
Parser-2執行緒的解析結果：908136818
Parser-5執行緒的解析結果：-1675827227
Parser-3執行緒的解析結果：1638121055
Parser-4執行緒的解析結果：1513365118
Parser-6執行緒的解析結果：489607354
Parser-8執行緒的解析結果：1513365118
Parser-7執行緒的解析結果：-1191966831
Parser-9執行緒的解析結果：-912399159
所有執行緒解析結束！
所有執行緒的解析結果：1605138237
join用於讓當前執行執行緒等待join執行緒執行結束。其實現原理是不停檢查join執行緒是否存活，如果join執行緒存活則讓當前執行緒永遠等待。其中，wait（0）表示永遠等待下去，程式碼片段如下。

public class Thread implements Runnable {  
    ......  
    public final void join() throws InterruptedException {  
        join(0);  
    }  
    public final synchronized void join(long millis)  
    throws InterruptedException {  
        long base = System.currentTimeMillis();  
        long now = 0;  

        if (millis < 0) {  
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");  
        }  

        if (millis == 0) {//執行到這裡  
            while (isAlive()) {  
                wait(0);//main執行緒永遠等待join執行緒  
            }  
        } else {  
            while (isAlive()) {  
                long delay = millis - now;  
                if (delay <= 0) {  
                    break;  
                }  
                wait(delay);  
                now = System.currentTimeMillis() - base;  
            }  
        }  
    }  
    ......  
}

直到join執行緒中止後，執行緒的this.notifyAll()方法會被呼叫，呼叫notifyAll()方法是在JVM裡實現的，所以在JDK裡看不到，大家可以檢視JVM原始碼。

在JDK 1.5之後的併發包中提供的CountDownLatch也可以實現join的功能，並且比join的功能更多，如程式碼清單8-2所示。

import java.util.Random;  
import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;  

public class CountDownLatchTest {  
    private static Random sr=new Random(47);   
    private static AtomicInteger result=new AtomicInteger(0);  
    private static int threadCount=10;//執行緒數量  
    private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);//CountDownLatch  
    private static class Parser implements Runnable{   
        String name;  
        public Parser(String name){  
            this.name=name;  
        }  
        @Override  
        public void run() {  
            int sum=0;  
            int seed=Math.abs(sr.nextInt()) ;  
            Random r=new Random(47);   
            for(int i=0;i<100;i++){    
                sum+=r.nextInt(seed);  
            }    
            result.addAndGet(sum);  
            System.out.println(name+"執行緒的解析結果："+sum);  
            countDown.countDown();//注意這裡  
        }   
    }  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        Thread[] threads=new Thread[threadCount];  
        for(int i=0;i<threadCount;i++){  
            threads[i]=new Thread(new Parser("Parser-"+i));  
        }   
        for(int i=0;i<threadCount;i++){  
            threads[i].start();  
        }   
        /* 
        for(int i=0;i<threadCount;i++){ 
            threads[i].join(); 
        }*/  
        countDown.await();//將join改為使用CountDownLatch  
        System.out.println("所有執行緒解析結束！");  
        System.out.println("所有執行緒的解析結果："+result);  
    }   
}

輸出：
Parser-0執行緒的解析結果：1336321192
Parser-1執行緒的解析結果：-2013585201
Parser-2執行緒的解析結果：-1675827227
Parser-4執行緒的解析結果：1638121055
Parser-3執行緒的解析結果：908136818
Parser-5執行緒的解析結果：1513365118
Parser-7執行緒的解析結果：489607354
Parser-6執行緒的解析結果：1513365118
Parser-8執行緒的解析結果：-1191966831
Parser-9執行緒的解析結果：-912399159
所有執行緒解析結束！
所有執行緒的解析結果：1605138237

CountDownLatch的建構函式接收一個int型別的引數作為計數器，如果你想等待N個點完成，這裡就傳入N。
當我們呼叫CountDownLatch的countDown方法時，N就會減1，CountDownLatch的await方法會阻塞當前執行緒，直到N變成零。由於countDown方法可以用在任何地方，所以這裡說的N個點，可以是N個執行緒，也可以是1個執行緒裡的N個執行步驟。用在多個執行緒時，只需要把這個CountDownLatch的引用傳遞到執行緒裡即可。
如果有某個解析sheet的執行緒處理得比較慢，我們不可能讓主執行緒一直等待，所以可以使用另外一個帶指定時間的await方法——await（long time，TimeUnit unit），這個方法等待特定時間後，就會不再阻塞當前執行緒。join也有類似的方法。
注意：計數器必須大於等於0，只是等於0時候，計數器就是零，呼叫await方法時不會阻塞當前執行緒。CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch物件的內部計數器的值。一個執行緒呼叫countDown方法happen-before，另外一個執行緒呼叫await方法。

public class CountDownLatch {  
    /**Synchronization control For CountDownLatch. Uses AQS state to represent count.*/  
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {  
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;  

        Sync(int count) {  
            setState(count);//初始化同步狀態  
        }  

        int getCount() {  
            return getState();  
        }  

        protected int tryAcquireShared(int acquires) {  
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;  
        }  

        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {  
            // Decrement count; signal when transition to zero  
            for (;;) {  
                int c = getState();  
                if (c == 0)  
                    return false;  
                int nextc = c-1;  
                if (compareAndSetState(c, nextc))  
                    return nextc == 0;  
            }  
        }  
    }  

    private final Sync sync;//組合一個同步器（AQS）  

    public CountDownLatch(int count) {  
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");  
        this.sync = new Sync(count);//初始化同步狀態  
    }  
    /*Causes the current thread to wait until the latch has counted down to 
     * zero, unless the thread is {@linkplain Thread#interrupt interrupted}.*/  
    public void await() throws InterruptedException {  
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);//  
    }  

    public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)  
        throws InterruptedException {  
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));  
    }  
    public void countDown() {  
        sync.releaseShared(1);//釋放同步狀態  
    }  

    public long getCount() {  
        return sync.getCount();  
    }  

    public String toString() {  
        return super.toString() + "[Count = " + sync.getCount() + "]";  
    }  
}

同步屏障CyclicBarrier
CyclicBarrier的字面意思是可迴圈使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，讓一組執行緒到達一個屏障（也可以叫同步點）時被阻塞，直到最後一個執行緒到達屏障時，屏障才會開門，所有被屏障攔截的執行緒才會繼續執行。

CyclicBarrier預設的構造方法是CyclicBarrier（int parties），其參數列示屏障攔截的執行緒數量，每個執行緒呼叫await方法告訴CyclicBarrier我已經到達了屏障，然後當前執行緒被阻塞。

import java.util.Random;   
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;  
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;  


public class CyclicBarrierTest {  

    private static Random sr=new Random(47);   
    private static AtomicInteger result=new AtomicInteger(0);  
    private static int threadCount=10;  
    //屏障後面執行彙總  
    private static CyclicBarrier barrier=new CyclicBarrier(threadCount,new Accumulate());  
    private static class Parser implements Runnable{   
        String name;  
        public Parser(String name){  
            this.name=name;  
        }  
        @Override  
        public void run() {  
            int sum=0;  
            int seed=Math.abs(sr.nextInt()) ;  
            Random r=new Random(47);   
            for(int i=0;i<(seed%100*100000);i++){    
                sum+=r.nextInt(seed);   
            }    
            result.addAndGet(sum);  
            System.out.println(System.currentTimeMillis()+"-"+name+"執行緒的解析結果："+sum);  
            try {   
                barrier.await();  
                System.out.println(System.currentTimeMillis()+"-"+name+"執行緒越過屏障！");  
            } catch (Exception e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }   
    }  
    static class Accumulate implements Runnable{   
        @Override  
        public void run() {   
            System.out.println("所有執行緒解析結束！");  
            System.out.println("所有執行緒的解析結果："+result);  
        }   
    }  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        Thread[] threads=new Thread[threadCount];  
        for(int i=0;i<threadCount;i++){  
            threads[i]=new Thread(new Parser("Parser-"+i));  
        }   
        for(int i=0;i<threadCount;i++){  
            threads[i].start();  
        }     
    }   
}

輸出：
1471866228774-Parser-4執行緒的解析結果：631026992
1471866228930-Parser-3執行緒的解析結果：-372785277
1471866228961-Parser-1執行緒的解析結果：-938473891
1471866229008-Parser-7執行緒的解析結果：-396620018
1471866229008-Parser-2執行緒的解析結果：-1159985406
1471866229024-Parser-5執行緒的解析結果：-664234808
1471866229070-Parser-6執行緒的解析結果：556534377
1471866229117-Parser-9執行緒的解析結果：-844558478
1471866229383-Parser-0執行緒的解析結果：919864023
1471866229430-Parser-8執行緒的解析結果：-2104111089
所有執行緒解析結束！
所有執行緒的解析結果：-78376279
1471866229430-Parser-8執行緒越過屏障！
1471866229430-Parser-2執行緒越過屏障！
1471866229430-Parser-9執行緒越過屏障！
1471866229430-Parser-7執行緒越過屏障！
1471866229430-Parser-1執行緒越過屏障！
1471866229430-Parser-3執行緒越過屏障！
1471866229430-Parser-0執行緒越過屏障！
1471866229430-Parser-6執行緒越過屏障！
1471866229430-Parser-4執行緒越過屏障！
1471866229430-Parser-5執行緒越過屏障！
我們發現，各個執行緒解析完成的時間不一致，但是越過屏障的時間卻是一致的。

CyclicBarrier和CountDownLatch的區別
CountDownLatch的計數器只能使用一次，而CyclicBarrier的計數器可以使用reset()方法重置。所以CyclicBarrier能處理更為複雜的業務場景。例如，如果計算髮生錯誤，可以重置計數器，並讓執行緒重新執行一次。
CyclicBarrier還提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以獲得Cyclic-Barrier阻塞的執行緒數量。isBroken()方法用來了解阻塞的執行緒是否被中斷。

控制併發執行緒數的Semaphore
Semaphore（訊號量）是用來控制同時訪問特定資源的執行緒數量，它通過協調各個執行緒，以保證合理的使用公共資源。
多年以來，我都覺得從字面上很難理解Semaphore所表達的含義，只能把它比作是控制流量的紅綠燈。比如××馬路要限制流量，只允許同時有一百輛車在這條路上行使，其他的都必須在路口等待，所以前一百輛車會看到綠燈，可以開進這條馬路，後面的車會看到紅燈，不能駛入××馬路，但是如果前一百輛中有5輛車已經離開了××馬路，那麼後面就允許有5輛車駛入馬路，這個例子裡說的車就是執行緒，駛入馬路就表示執行緒在執行，離開馬路就表示執行緒執行完成，看見紅燈就表示執行緒被阻塞，不能執行。

應用場景
Semaphore可以用於做流量控制，特別是公用資源有限的應用場景，比如資料庫連線。假如有一個需求，要讀取幾萬個檔案的資料，因為都是IO密集型任務，我們可以啟動幾十個執行緒併發地讀取，但是如果讀到記憶體後，還需要儲存到資料庫中，而資料庫的連線數只有10個，這時我們必須控制只有10個執行緒同時獲取資料庫連線儲存資料，否則會報錯無法獲取資料庫連線。這個時候，就可以使用Semaphore來做流量控制，如程式碼清單8-7所示。

import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
import java.util.concurrent.Semaphore;  

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();  
    }  
}

在程式碼中，雖然有30個執行緒在執行，但是隻允許10個併發執行。Semaphore的構造方法Semaphore（int permits）接受一個整型的數字，表示可用的許可證數量。Semaphore（10）表示允許10個執行緒獲取許可證，也就是最大併發數是10。Semaphore的用法也很簡單，首先執行緒使用Semaphore的acquire()方法獲取一個許可證，使用完之後呼叫release()方法歸還許可證。還可以
用tryAcquire()方法嘗試獲取許可證。
其他方法
Semaphore還提供一些其他方法，具體如下。
int availablePermits()：返回此訊號量中當前可用的許可證數。
int getQueueLength()：返回正在等待獲取許可證的執行緒數。
boolean hasQueuedThreads()：是否有執行緒正在等待獲取許可證。
void reducePermits（int reduction）：減少reduction個許可證，是個protected方法。
Collection getQueuedThreads()：返回所有等待獲取許可證的執行緒集合，是個protected方法。

執行緒間交換資料的Exchanger
Exchanger（交換者）是一個用於執行緒間協作的工具類。Exchanger用於進行執行緒間的資料交換。它提供一個同步點，在這個同步點，兩個執行緒可以交換彼此的資料。這兩個執行緒通過exchange方法交換資料，如果第一個執行緒先執行exchange()方法，它會一直等待第二個執行緒也執行exchange方法，當兩個執行緒都到達同步點時，這兩個執行緒就可以交換資料，將本執行緒生產出來的資料傳遞給對方。
下面來看一下Exchanger的應用場景。
1、Exchanger可以用於遺傳演算法，遺傳演算法裡需要選出兩個人作為交配物件，這時候會交換兩人的資料，並使用交叉規則得出2個交配結果。

2、Exchanger也可以用於校對工作，比如我們需要將紙製銀行流水通過人工的方式錄入成電子銀行流水，為了避免錯誤，採用AB崗兩人進行錄入，錄入到Excel之後，系統需要載入這兩個Excel，並對兩個Excel資料進行校對，看看是否錄入一致.

import java.util.concurrent.Exchanger;  
import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  

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 = "銀行流水100";// A錄入銀行流水資料  
                    String B=exgr.exchange(A);  
                    System.out.println("A的視角：A和B資料是否一致：" + A.equals(B) +   
"，A錄入的是：" + A + "，B錄入是：" + B);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                }  
            }  
        });  
        threadPool.execute(new Runnable() {  
            @Override  
            public void run() {  
                try {  
                    String B = "銀行流水200";// B錄入銀行流水資料  
                    String A = exgr.exchange(B);  
                    System.out.println("B的視角：A和B資料是否一致：" + A.equals(B) +   
"，A錄入的是：" + A + "，B錄入是：" + B);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                }  
            }  
        });  
        threadPool.shutdown();  
    }  
}

輸出：

B的視角：A和B資料是否一致：false，A錄入的是：銀行流水100，B錄入是：銀行流水200
A的視角：A和B資料是否一致：false，A錄入的是：銀行流水100，B錄入是：銀行流水200

如果兩個執行緒有一個沒有執行exchange()方法，則會一直等待，如果擔心有特殊情況發生，避免一直等待，可以使用exchange（V x，longtimeout，TimeUnit unit）設定最大等待時長。

內容源自：

《Java併發程式設計的藝術》

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