Java中的4个并发工具类 CountDownLatch CyclicBarrier Semaphore Exchanger

在 java.util.concurrent 包中提供了 4 个有用的并发工具类

CountDownLatch 允许一个或多个线程等待其他线程完成操作，课题点 Thread 类的 join() 方法

CyclicBarrier 可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景

Semaphore 用来控制同时访问特定资源的线程数量，通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源

Exchanger 提供了在线程间交换数据的一种手段，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

等待多线程完成的 CountDownLatch

第一种方式是使用 Thread 类的 join() 方法，该方法让当前执行线程等待 join 线程执行结束。

package concurrency;

public class JoinCountDownLatchTest {
    public static void main(String [] args) throws InterruptedException {
        Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("I am from the parser1");
            }
        });
        Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("I am from the parser2");
            }
        });
        parser1.start();
        parser2.start();
        parser1.join();  // 当前线程等待 parser1 线程执行完毕
        parser2.join();  // 当前线程等待 parser2 线程执行完毕
        System.out.println("I am from the main");
    }
}

CountDownLatch 的构造函数接受一个 int 类型的参数作为计数器，当调用 countDown() 方法时，计数器的值会减1；CountDownLatch 的 await () 会阻塞当前线程，直到计数器变为0。

countDown() 方法可以用在任何地方，因此不仅可以等待多个线程，也可以等待一个线程中的多个执行步骤

计数器必须大于等于 0，只是等于 0 的时候，调用 await() 方法时不会阻塞当前线程。

一个线程调用 countDown() 方法 happens-before 另一个线程调用 await() 方法

package concurrency;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchTest {
    static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);  // 设置计数器为 2

    public static void main(String [] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("1");
                c.countDown();  // 计数器减 1
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("2");
                c.countDown();  // 计数器减 1
            }
        }).start();
        c.await();  // 阻塞当前线程，直到 count 变为 0
        System.out.println("3");
    }
}

同步屏障 CyclicBarrier

让一组线程到达一个屏障（或同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障是，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，每个线程调用 await() 方法告知其以到达屏障，然后改线程被阻塞，直到所有的线程都到达屏障后，屏障才会开门，然后线程们在继续运行。

CyclicBarrier 另一个构造方法是 CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于在线程到达屏障时，优先执行 barrierAction，方便处理复杂的业务场景

package concurrency;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierTest {
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);

    public static void main(String [] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    c.await();  // 到达屏障 阻塞当前线程
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("1");
            }
        }).start();

        try {
            c.await(); // 到达屏障 阻塞当前线程
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("2");
    }
}

package concurrency;

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

public class CyclicBarrierTest2 {
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());  // 屏障打开后，优先执行 new A()

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    c.await();  // 到达屏障 阻塞当前线程
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("1");
            }

        }).start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
            c.await();  // 到达屏障 阻塞当前线程
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("2");
    }

    static class A implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("3");
        }
    }
}

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 将这些线程的计算结果汇总得到整个 Excel 的日均银行流水。

package concurrency;

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;

public class BankWaterService implements Runnable {
    private CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(4, this);  // 创建  4 个屏障，处理完之后运行当前类的 run 方法
    private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4);  // 创建一个包含 4 个线程的线程池
    private ConcurrentHashMap<String, Integer> sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap<>();

    private void count() {
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                        c.await();  // 插入屏障
                    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                }
            });
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        int result = 0;
        for (Entry<String, Integer> sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
            result += sheet.getValue();
        }
        sheetBankWaterCount.put("result", result);
        System.out.println(result);
    }

    public static void main(String [] args) {
        BankWaterService bankWaterService = new BankWaterService();
        bankWaterService.count();
    }
}

控制并发数的 Semaphore

用于做流量控制，特别是公共资源有限的场景，如数据库连接。

Semaphore 的构造方法 Semaphore(int permits) 接受一个整数，表示可用的许可证数量，即最大并发数

package concurrency;

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);  // 最大并发数是 10

    public static void main(String [] args) {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  // 虽然有30个线程，但最多只有10个并发执行
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        s.acquire();  // 获取一个许可
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                        Thread.sleep(1000);
                        s.release();  // 释放一个许可
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
            });
        }
        threadPool.shutdown();
    }
}

线程间交换数据的 Exchanger

用于进行线程间的数据交换，他提供一个同步点，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，将本线程产生出来的数据传递给对方。

package concurrency;

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

public class ExchangerTest {
    private static final Exchanger<String> EXCHANGER = new Exchanger<>();
    private static ExecutorService threadPool = 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";
                    System.out.println("A录入的是： " + A);
                    A = EXCHANGER.exchange(A);  // 将对象 A 传递到另一个线程，并接受的另一个线程传递过来的值。
                    System.out.println("A录入的是： " + A);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        });
        threadPool.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    String B = "银行流水B";
                    System.out.println("B录入的是： " + B);
                    B = EXCHANGER.exchange(B);
                    System.out.println("B录入的是： " + B);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        });
        threadPool.shutdown();
    }
}