java架构之路（多线程）JUC并发编程之Semaphore信号量、CountDownLatch、CyclicBarrier栅栏、Executors线程池

上期回顾：

　　上次博客我们主要说了我们juc并发包下面的ReetrantLock的一些简单使用和底层的原理，是如何实现公平锁、非公平锁的。内部的双向链表到底是什么意思，prev和next到底是什么，为什么要引入heap和tail来值向null的Node节点。高并发时候是如何保证state来记录重入锁的，在我们的上次博客都做了详细的说明。这次我们来聊一些简单易懂且实用的AQS中的工具类。

Semaphore信号量：

　　这个东西很简单，别看字面意思，什么信号量，我也不懂得那个术语什么意思，Semaphore你可以这样来理解，我们要去看电影，而且是3D电影（必须戴3D眼镜才可以进入），但是比较不巧的是我们电影院只有两个3D眼镜了，也就是说，我们每次只能进去两个人看电影，然后等待这两个人看完电影以后把眼镜还回来，后面的两个人才能继续观看，就是说每次只允许最多进去两个人，每次进入到线程获取锁，需要你得到前置的票据，才可以进行后续的流程。可以理解为一个简单的限流吧。我们来一下代码示例。

public class Test {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Task(semaphore,"xiaocaijishu"+i)).start();
        }
    }

    static class Task extends Thread{
        Semaphore semaphore;

        public Task(Semaphore semaphore,String tname){
            this.semaphore = semaphore;
            this.setName(tname);
        }

        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿着3D眼镜进去了,时间是"+System.currentTimeMillis());

                Thread.sleep(1000);

                semaphore.release();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出来了,将3D眼镜还给了服务人员,时间是"+System.currentTimeMillis());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
}

运行结果就是这样的

　　我们来解释一下运行结果，线程1和线程3同一时间去看电影了，然后1出来了，这时线程9马上拿着我们的3D眼镜进去了，过了一会线程3也看完电影了，出来了还了3D眼镜，线程7又在同一时间拿着3D眼镜进去看电影了，后续线程都是如此执行的，每次只是进入两个线程。

　　简单的使用看到了，我们来看看底层的源码设计吧。开始的时候我们是创建一个Semaphore内部票据数目给予的是2。

//1.创建初始票据是2的Semaphore
Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
//2.进入Semaphore,查看数据2是如何存储的.
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}
//3.底层还是基于sync 创建了一个对象,但不同于过去ReetrantLock的是,这次是一个非公平的锁对象,我们再次进入NonfairSync看看那个数字2到底放在哪里了.
Sync(int permits) {
    setState(permits);
}
//4.我们可以看到底层还是用State来存储的.

　　这次没有把所有代码全部粘出来,感觉那样像是凑篇幅一样。

　　通过上述代码，我们可以看到，我们的初始票据数，是上一次那个state来存的。

　　后续我们调用了acquire方法来尝试获取票据，acquire方法也可以传入获取票据数目的比如semaphore.acquire(2);也是可以的。我们进入acquire方法来看看到底是如何获取的。

//从new Semaphore(2);点击进入后续方法
public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
//我们可以看到,当我们没有传需要获取多少票据的时候,会默认给予1这个参数,我们来继续看后续流程
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
//Thread.interrupted()判断当前线程是否已经中断,如果中断我直接抛出异常,电影都演完了,我拿3D眼镜还有毛线用.
//tryAcquireShared(arg)尝试获取票据,arg是1,刚才给予的默认1
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}
//内部有实现关系,所以调用的是Semaphore类nonfairTryAcquireShared方法,我们来解读一下
//直接就是一个死循环, int available = getState();获取一下当前还有多少票据
// int remaining = available - acquires;计算出当前票据减去所需票据的一个剩余值
//if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))我们现有2个票据,拿走1个,剩余1个,所以remaining < 0 一定是false的
//再来看另一半compareAndSetState,用原子计算(上次博客说过为什么要原子计算)方式来修改剩余票据,这个是可以修改成功的.所以满足条件可以返回一个2-1  也就是返回一个正数1

　　是不是有点看懵圈了，很多小伙伴感觉if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))前面的remaining<0，这个或判断貌似没用啊，来张图解释一下。

　　有没有感觉好点了，自己可以跟着源代码走一走，获取的过程就差一个doAcquireSharedInterruptibly还没有看了，如果获取超过了票据数，也就是不应该让返回负数时运行doAcquireSharedInterruptibly方法，我们来看一下。

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//以共享方式添加节点
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//判断前驱节点是否为空
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);//再次尝试获取票据
                if (r >= 0) {//>= 0表示获取票据成功
                    setHeadAndPropagate(node, r);//更改头节点
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //剔除不可用的Node节点
                    parkAndCheckInterrupt()) //阻塞当前线程
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

　　经过两次以上的尝试，我们将该线程阻塞了，不至于一直for循环在运行，也就这样，票据发放完毕了。

　　过程差不多就是这样的，我们可以再仔细看一下是如何添加节点的，上次ReetrantLock说了一些，我们这次再来看一下。我们现已第一次塞节点为例，

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {//第一次一定是空的，我们现在已初始塞节点为例。
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);//为空直接进入这个逻辑
    return node;
}

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize //1.第一次一定是空 //二次循环不为空 进入else
            if (compareAndSetHead(new Node()))//2.创建一个空节点,并且作为head节点.
                tail = head;//3.tail指向那个head节点
        } else {
            node.prev = t;//4. 将node节点的前驱指针指向
            if (compareAndSetTail(t, node)) {//5.原子计算方式将node节点后驱节点指向tail
                t.next = node;//6.将t节点(空节点)的后驱指针指向node节点
                return t;
            }
        }
    }
}

　　第一次循环只是一个内部的初始空节点，第二次循环才是移动指针塞入的过程。

　　 节点唤醒是在释放票据时被唤醒的，代码超级简单，可以自己当做一份作业，自己去看一遍代码吧~！提示流程就是先还票据，然后唤醒。Semaphore差不多就这些知识点，我也带着大家简单的看了一遍源码。我们再来继续看一下后面AQS的一些工具类。

CountDownLaunch的基本使用

　　CountDownLaunch很好理解，也是比较实用的，我们干王者农药的时候就是一个很好的栗子，游戏选完人物大家一起加载地图等游戏资料，有的人慢，有的人快，这时就印出来了CountDownLaunch，相当于我们5个玩家同时开启5个线程，然后一起执行，执行完毕先等着，直到5个玩家全部执行完成时，才可以运行后续操作。我们来看一下代码。

public class CountDownLaunchSample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
        new Thread(new playerOne(countDownLatch)).start();
        new Thread(new playerTwo(countDownLatch)).start();
        countDownLatch.await();
        System.out.println("全部加载完成");
    }

    static class playerOne implements Runnable {
        CountDownLatch countDownLatch;

        public playerOne(CountDownLatch countDownLatch) {
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }

        public void run() {
            try {
                System.out.println("玩家1开始加载...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("玩家1加载完成");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (countDownLatch != null)
                    countDownLatch.countDown();
            }
        }

    }

    static class playerTwo implements Runnable {
        CountDownLatch countDownLatch;

        public playerTwo(CountDownLatch countDownLatch) {
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }

        public void run() {
            try {
                System.out.println("玩家2开始加载...");
                Thread.sleep(10000);
                System.out.println("玩家2加载完成");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (countDownLatch != null)
                    countDownLatch.countDown();
            }
        }

    }
}

　　实际项目中如果遇到读取excel多个sheet页签然后汇总数据的情况也可以采用CountDownLanch。注意最后final的countDownLatch.countDown()方法，也是一个类似上面票据增减的方法。

CyclicBarrier栅栏的简单使用：

　　CyclicBarrier和我们上面的CountDownLanch差不多，都是开启多个任务一起去执行，不同的是CountDownLanch需要支线任务执行完成然后CountDownLanch做一个汇总，然后继续运行后续程序。CyclicBarrier不需要做汇总。再就是CyclicBarrier是可以重复的。

public class CyclicBarrierTest implements Runnable {
    private CyclicBarrier cyclicBarrier;
    private int index ;

    public CyclicBarrierTest(CyclicBarrier cyclicBarrier, int index) {
        this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        this.index = index;
    }

    public void run() {
        try {
            System.out.println("index: " + index);
            index--;
            cyclicBarrier.await();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(11, new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println("所有特工到达屏障，准备开始执行秘密任务");
            }
        });
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new CyclicBarrierTest(cyclicBarrier, i)).start();
        }
        cyclicBarrier.await();
        System.out.println("全部到达屏障....");
    }

}

　　这个需要注意的是CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(11, 这个11，就是说一定有11个线程执行完毕，我才可以执行后面的操作，我们下面for循环是10，而我们那里写的是11啊，别忘记还有一个主线程呢，所以说每次计算一定加一个主线程啊。

Exchanger的简单使用

　　最后就是我们Exchanger，平时使用的不多，我们了解一下就可以了，搂一眼代码，就是线程之间的变量交换。

public static void main(String []args) {
    final Exchanger<Integer> exchanger = new Exchanger<Integer>();
    for(int i = 0 ; i < 4 ; i++) {
        final Integer num = i;
        new Thread() {
            public void run() {
                System.out.println("我是线程：Thread_" + this.getName() + "我的数据是：" + num);
                try {
                    Integer exchangeNum = exchanger.exchange(num);
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("我是线程：Thread_" + this.getName() + "我原先的数据为：" + num + " , 交换后的数据为：" + exchangeNum);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }.start();
    }
}

总结：

　　这次我们核心梳理了我们的Semaphore的执行流程，内部是如何来实现我们的票据计数，获取，归还等操作的，再就是我们for无限循环会在两次以后自动阻塞的设计思想，还有我们的CountDownLanch、CyclicBarrier、Executors的基本使用，并赋予大家简单的代码流程，今天就说到这，明天我们继续来说我们的多线程。