多线程七 AQS

一 . 简介AQS

AQS简介

• 在同步组件的实现中,AQS是核心部分,同步组件的实现者,通过使用AQS提供的模板方法 实现同步组件语义
• AQS实现了对同步状态的管理以及阻塞线程进行排队,等待通知等等一系列底层的实现处理
• AQS核心:使用Node实现同步队列,底层是个双向链表,可以用于同步锁或者其他同步装的基础框架

AbstractQueuedSynchronized,虽然类名开头是Abstract,但是他不是抽象类,意义就是说,单独使用它是没有意义的,依赖他去实现同步组件才有意义--相当于没模板方法模式

• 子类通过继承并实现他的方法,管理其状态 acquire和release
• 可以同时实现排它锁和共享锁,站在使用者的角度看,它可以帮我们完成两件事,独占控制和共享控制,它的所有子类中要么实现重写了它独占功能的API,要么使用的是共享功能的API,而不会同时使用两套API,即使是他最有名的实现类ReentrantLock,也是通过两个内部类,分别使用者两套API

AQS实现的大致思路,它内部有一个双向的链表,链表的每一个节点都是一个Node的结构,线程会来尝试的获取锁,如果失败了那么它就将当前线程包装成一个Node节点,加入到同步队列中,前一个节点释放锁后,唤醒自己的后继节点,它实现的依赖于先进先出 (FIFO) 等待队列的阻塞锁和相关同步器

此类的设计目标是成为依靠单个原子 int 值来表示状态的大多数同步器的一个有用基础

以下类都是依赖AQS是实现的:

• ReentrantLock
• ReentrantReadWritrLock.ReadLock
• ReentrantReadWriteLock.WriteLock

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二 . 使用AQS实现自己的锁

自己的锁肯定要去实现lock接口,重写里面的方法,怎么重写呢?使用AQS,将AQS作为内部的帮助器类,重写里面的tryAcquir和tryRelease方法,因为lock()我们采用帮助器acquire的方法实现,而此方法会至少调用一次tryAcquire,同理,释放锁,我们重写帮助器的tryRelease,,,,我们只是简单的使用一下,完成加锁,释放锁,锁重入即可

他面临着两个问题

1. 怎么知道来拿锁的线程是上一个拿到锁的线程

   • 判断if(当前线程==持有锁的线程){state++;}要求计数器自增

2. 怎么释放掉锁

   • 重复n次拿到了锁,要求计数器依次减下去

public class AQSDemo01 implements Lock {
private Helper helper = new Helper();

private class Helper extends AbstractQueuedSynchronizer {

    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        int state = getState();
        Thread t = Thread.currentThread();

        if (state == 0) {
            //如果当前状态的值等于预期的值,就把 当前状态的中修改成 arg的值...... ( 刚才掉坑了, compareAndSerState方法,会帮助我们去对比 手动输进去的0 和 当前的状态)
            if (compareAndSetState(0, arg)) {
                System.out.println("线程来了"+Thread.currentThread().getName()+"   arg=="+arg);
              setExclusiveOwnerThread(t);
                return true;
           }
        } else if (getExclusiveOwnerThread() == t) {
            setState(state + 1);
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {

        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) {
            throw new RuntimeException();
        }
        int state = getState() - arg;

        boolean flag = false;

        if (state == 0) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            flag = true;

        }
        setState(state);
        return flag;
    }

    Condition newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }
}

@Override
public void lock() {
    helper.acquire(1);
}

@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    helper.acquireInterruptibly(1);
}

@Override
public boolean tryLock() {
    return helper.tryAcquire(1);
}

@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    return helper.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}

@Override
public void unlock() {
    helper.release(1);
}

@Override
public Condition newCondition() {
    return helper.newCondition();
}
}

测试类如下,锁正常

public class textAQS {
private int value=0;
private AQSDemo01 lock = new AQSDemo01();
public int next() {
   lock.lock();

    try {
        Thread.sleep(300);
        return value++;
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
       throw new RuntimeException();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

/*
 * 经典的验证 锁的重复问题 ,在单一的线程下, a()  想在  未释放锁  的前提下  调用b(),前提就是可冲入锁
 * */
public void a() {
    lock.lock();
    System.out.println("a");
    b();
    lock.unlock();
}

public void b() {
    lock.lock();
    System.out.println("b");
    lock.unlock();
}

public static void main(String[] args) {

    textAQS m = new textAQS();
    //测试可重入
   new Thread(new Runnable() {

        @Override
        public void run() {
          m.a();
        }
    }).start();

    System.out.println("主线程=="+Thread.currentThread().getName());

    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

    //从线程池拿出四条线程执行next任务,查看结果是否同步,同步
     for (int i=0;i<4;i++){
        executorService.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(true)
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  "+m.next());
            }
        });

    }

}

}

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AQS的同步组件

1. CountDownLatch

• 用给定的计数 初始化 CountDownLatch。由于调用了 countDown() 方法，
  
  所以在当前计数到达零之前，await 方法会一直受阻塞。当调用了一定次数的CountDown()是计数器的值为零后，会释放所有等待的线程
  
  ，await 的所有后续调用都将立即返回。这种现象只出现一次——计数无法被重置
• 它的典型使用场景就是分布计算
• 打个比方

课代表等所有同学交完作业再交给老师,

1: 课代表等待所有的同学(线程)交作业 CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(int 学生数)

2: 单个学生交完作用, cdl.countDown() --> 学生数减一

3: 主线程: cdl.await() 只要学生数不为零, 就等待

public class countDownLatch02 {
private static int []nums;

public countDownLatch02(int line){
    nums=new int[line];
}

//分隔字符串数组,完成 当前行  (  一行 ) 相加
public  void colculate(String s ,int index,CountDownLatch count){
    System.out.println("单行线程开始执行..  "+Thread.currentThread().getName());
    String[] s1 = s.split(",");
    int total=0;
    for (String s2:s1) {
        int i = Integer.parseInt(s2);
        total+=i;
    }
    nums[index]=total;

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"线程   计算结果是=="+total);
    count.countDown();
}

//分别计算没行的总值
public   void sum(){
    System.out.println("加总线程开始执行...");
    int total =0;
    for(int i=0;i<nums.length;i++){
        total+=nums[i];
    }
    System.out.println("执行的结果是=="+total);
}

public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

    // 根据行数,
    List<String> contents = readFile();
    int size= contents.size();
    CountDownLatch c = new CountDownLatch(size);

    countDownLatch02 latch = new countDownLatch02(size);

    System.out.println("zhuxianc");
    // //创建出相应数目的线程,
    for(int i=0;i<size;i++){
        final int j =i;
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                latch.colculate(contents.get(j),j,c);
            }
        }).start();
    }
    //在主线程中加总
    // System.out.println("当前活跃的实现数"+Thread.activeCount());
   /* while((Thread.activeCount())>2){  //自旋,等待其他线程执行完..
        System.out.println("当前活跃的实现数"+Thread.activeCount());
    }*/
    c.await();
    latch.sum();
}

/*
 * 读取文件,将每一行存放进list数组...
 * */
public static List<String> readFile() throws IOException {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    String line=null;
    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new FileReader("D:\\SETextMaven\\textcountDownLatch.txt"));
    while ((line = bufferedReader.readLine())!=null){
        list.add(line);
    }
    return list;
}

}

2. Semaphore

• 常常作用于仅能提供有限访问的资源,比如项目中使用到的数据库的连接数,可能最大只有20,但是外界的并发量却很庞大,所以我们可以使用Semaphore进行控制,当它把并发数控制到1时,和单线程很相似
• 他可以很容易的控制同一时刻,并发访问某一个资源被的线程数,使用起来也很简单,对需要进行并发控制的代码用 semaphore.acquire()和 semaphore.release(); 包裹起来即可

/*
* 字面意思:  信号量        --> Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目
* 作用: 用来控制同时访问某些特定资源的线程数量,协调各个线程合理使用公共资源
* 简介: Semaphore 可以用来维护当前访问自身的线程个数,并提供了同步机制,比如实现一个文件的允许的并发数
* 应用场景:
*       开启 30条线程 把 一万个文件的内容读取到内存
*       使用Semaphore允许10个线程可以并发执行,将内存中的数据写回数据库
*
*       模拟高并发
* */
public class semaphore {
public static void main(String[] args) {
    final int tNum =30;
  // ExecutorService executorService;
  //  executorService = new Executors.newFixedThreadPool();
    Semaphore semaphore = new Semaphore(5);//允许一次性允许 并发执行的线程数

    for (int i=0;i<100;i++){
        new Thread(()->{
            try {
                semaphore.acquire();  //当前线程获取 Semaphore 的 许可证
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"开始任务");

            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            semaphore.release();       // 归还许可证

        }).start();
    }
}
}

3 . CyclicBarrier

• 和CountDownLanch不同的是,它描述的是所有的线程相互等待的过程
  
  构造方法,参数为parties - 在启动 barrier 前必须调用 await() 的线程数
• 注意点,如果 传入的参数为6,而所有线程一共才五条,那么主线程和 子线程,将永远处于等待状态,因为没有第六条线程执行 await方法... 或者, 线程在执行await()之前,出现异常, 屏障永远不会被满足

实例代码:

/*
* 它允许一组线程相互等待,直到达到某个公共的屏障点,
* 也就是说,所有的线程必须相互等待,-->  直到所有线程都 满足屏障的要求--> 执行后面的任务
*
*   开会:
*                                       await()          屏障     后续的任务
*       公司里的所有人都去开会,--> 先到的人等待迟到的人--> 人到齐了,开会....
* */

/*
*   应用场景,多线程计算数据,最后合并计算结果
* */

/*
* 模拟开会...
* */

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrier01 {

public void meeting(CyclicBarrier cyclicBarrier){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"到达会议室...");

try {
    cyclicBarrier.await();  //此线程等待..
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"准备开会..");
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
    e.printStackTrace();
}
}

public static void main(String[] args) {

    CyclicBarrier01 c = new CyclicBarrier01();
    //  构造函数1:
    // 创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，
    // 但它不会在启动 barrier 时执行预定义的操作。
    //参数：
    //parties - 在启动 barrier 前必须调用 await() 的线程数
    //抛出：
    //IllegalArgumentException - 如果 parties 小于 1
    //注意点:
    //      如果 传入的参数为6,而所有线程一共才五条,那么主线程和 子线程,将永远处于等待状态,因为没有第六条线程执行 await方法...
    //             或者, 线程在执行await()之前,出现异常,  屏障永远不会被满足
    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(6);
      for (int i =0;i<5;i++) {  //开启五条线程...
          new Thread(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                  c.meeting(cyclicBarrier);
              }
          }).start();
      }

    // 主线程
    try {
        cyclicBarrier.await();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("人都到齐了,开会...");

 //   cyclicBarrier.reset();
}
}

带 Runable, 当所有预期的线程都await后,先执行Runable里面的任务

public class CyclicBarrier02 {

public void meeting(CyclicBarrier cyclicBarrier){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"到达会议室...");

try {
    cyclicBarrier.await();  //此线程等待..
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"听领导讲话...");
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
    e.printStackTrace();
}
}

public static void main(String[] args) {

    CyclicBarrier02 c = new CyclicBarrier02();
    //  构造函数2:
/*
    创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，
    并在启动 barrier 时执行给定的屏障操作，该操作由最后一个进入 barrier 的线程执行。

    参数：
    parties - 在启动 barrier 前必须调用 await() 的线程数
    barrierAction - 在启动 barrier 时执行的命令；如果不执行任何操作，则该参数为 null
    抛出：
*/

    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(6, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {

            System.out.println("开始开会...");
        }
    });
      for (int i =0;i<5;i++) {  //开启五条线程...
          new Thread(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                  c.meeting(cyclicBarrier);
              }
          }).start();
      }
    // 主线程
    try {
        cyclicBarrier.await();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("主线程也 await了 ...   人都到齐了,开会...");
    cyclicBarrier.reset();

}
}

4. J.U.C同步组件 FutrueTask

在 多线程二 基本技能中有详细的将讲解,使用

5 J.U.C 同步组件Fork/Join框架

• ForkJoin是java7提供的并行执行任务的框架
• 它的设计思路是把一个大人物Fork成若干个小任务分布计算,然后Join这些子任务的结果,最终得到这个大任务的结果,使用工作窃取算法也就是某个线程从其他的线程的工作队列(双端队列,来窃取的线程从这个队列的尾部取任务,减少竞争)里面窃取任务执行

局限性:

• 假如说双端任务队列里面就一个任务,那么肯定就出现竞争,而且还有多开辟线程的开销
• 只能使用Fork和Join去同步,如果使用了别的同步机制.那么同步线程就不能去窃取执行其他任务
• 工作队列里面的任务不应该是IO操作
• 任务不能抛出检查异常,它必须通过必要的代码去处理他们