Java常用并发工具类

Java中的并发工具类

  在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。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。本章会配合一些应用场景来介绍如何使用这些工具类。


第一节 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。

  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,如代码清单8-1所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
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。

1
2
3
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,如下所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
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。

  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。


第二节 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。

1 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。示例代码如下所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
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) {

}
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,第一种可能输出如下。

1
1 2

  第二种可能输出如下。

1
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,如下所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
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。

1
2
3 1
2

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,如下所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
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
*
* @authorftf
*
*/
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>();
privatevoid count() {
for (inti = 0; i< 4; i++) {
executor.execute(new Runnable() {
@Override
publicvoid 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
publicvoid run() {
intresult = 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);
}

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

  使用线程池创建4个线程,分别计算每个sheet里的数据,每个sheet计算结果是1,再由 BankWaterService线程汇总4个sheet计算出的结果,输出结果如下。

1
4

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。上段代码执行完之后会返回true,其中isBroken的使用代码如下所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException; 
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierTest3 {
staticCyclicBarrier 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());
}
}
}

  输出如下所示。

1
true

第三节 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。多年以来,我都觉得从字面上很难理解Semaphore所表达的含义,只能把它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,如下所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
public class SemaphoreTest {    
private static final int THREAD_COUNT = 30;
private static ExecutorServicethreadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
private static Semaphore s = new Semaphore(10);
public static void main(String[] args) {
for (inti = 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。

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。

第四节 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,代码如下所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
public class ExchangerTest { 
private static final Exchanger<String> exgr = new Exchanger<String>();
private static ExecutorServicethreadPool = 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。

  本章配合一些应用场景介绍JDK中提供的几个并发工具类,大家记住这个工具类的用途,一旦有对应的业务场景,不妨试试这些工具类。


参考博客和文章书籍等:

《Java并发编程的艺术》

因博客主等未标明不可引用,若部分内容涉及侵权请及时告知,我会尽快修改和删除相关内容