彻底理解Java并发：Java并发工具类

布满荆棘的人生 2023-09-23 13:07 176阅读 0赞

> 本篇内容包括：Java 并发工具类的介绍、使用方式与 Demo，包括了 CountDownLatch（线程计数器）、CyclicBarrier（回环栅栏）、Semaphore（信号量） 以及 Exchanger（交换器）等内容！

## 一、CountDownLatch（线程计数器） ##

CountDownLatch 线程计数器，俗称闭锁，作用是类似加强版的 Join，是让一组线程等待其他的线程完成工作以后才执行

CountDownLatch 类位于 `java.util.concurrent` 包下，利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务 A，它要等待其他 4 个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用 CountDownLatch 来实现这种功能了。

Demo（主线程等待两个子线程执行完毕后，继续执行）：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
            new Thread(() -> {
        
                System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
                try {
        
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
                latch.countDown();
            }).start();
    
    
            new Thread(() -> {
        
                System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
                try {
        
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
                latch.countDown();
            }).start();
    
            System.out.println("等待 2 个子线程执行完毕...");
            latch.await();
            System.out.println("2 个子线程已经执行完毕");
            System.out.println("继续执行主线程");
        }

CountDownLatch 的主要方法：

*  `CountDownLatch()`：初始化方法
 *  `public boolean await`：等待方法，同时带参数的是超时重载方法
 *  `public void countDown()`：每执行一次，计数器减一，就是初始化传入的数字，也代表着一个线程完成了任务
 *  `public long getCount()`：获取当前值

--------------------

## 二、CyclicBarrier（回环栅栏） ##

CyclicBarrier 回环栅栏，俗称栅栏锁，作用是让一组线程到达某个屏障，被阻塞，一直到组内的最后一个线程到达，然后屏障开放，接着，所有的线程继续运行叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier 可以被重用。我们暂且把这个状态就叫做 *barrier*，当调用 `await()` 方法之后，线程就处于 *barrier* 了。

CyclicBarrier 中最重要的方法就是 await 方法，它有 2 个重载版本：

1.  `public int await()`：用来挂起当前线程，直至所有线程都到达 *barrier* 状态再同时执行后续任务；
2.  `public int await(long timeout, TimeUnit unit)`：让这些线程等待至一定的时间，如果还有线程没有到达 *barrier* 状态就直接让到达 *barrier* 的线程执行后续任务。

另外 CyclicBarrier 是可以重用的。

Demo（一组内 4 个线程，每个线程都等待组内所有线程到达 *barrier* 后，再继续执行）：

public static void main(String[] args) {
        
            int n = 4;
            CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(n);
            for (int i = 0; i < n; i++) {
        
                new Writer(barrier).start();
            }
        }
    
        static class Writer extends Thread {
        
            private final CyclicBarrier cyclicBarrier;
    
            public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
        
                this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
            }
    
            @Override
            public void run() {
        
                try {
        
                    Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟线程需要预定写入数据操作
                    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务，比如数据操作");
            }
        }

--------------------

## 三、Semaphore（信号量） ##

Semaphore 翻译成字面意思为 信号量，Semaphore 可以控制同时访问的线程个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。

Semaphore 类中比较重要的几个方法：

1.  `public void acquire()`：用来获取一个许可，若无许可能够获得，则会一直等待，直到获得许可。
2.  `public void acquire(int permits)`：获取 permits 个许可
3.  `public void release() { }` ：释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。
4.  `public void release(int permits) { }`：释放 permits 个许可

上面 4 个方法都会被阻塞，如果想立即得到执行结果，可以使用下面几个方法

1.  `public boolean tryAcquire()`：尝试获取一个许可，若获取成功，则立即返回 true，若获取失败，则立即返回 false
2.  `public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)`：尝试获取一个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回 true，否则则立即返回 false
3.  `public boolean tryAcquire(int permits)`：尝试获取 permits 个许可，若获取成功，则立即返回 true，若获取失败，则立即返回 false
4.  `public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)`： 尝试获取 permits个许可，若在指定的时间内获取成功，则立返回 true，否则则立即返回 false
5.  `public int availablePermits()`：得到可用的许可数目。

Demo（工厂有 5 台机器，有 8 个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用）：

public static void main(String[] args) {
        
            int N = 8; //工人数
            Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目
            for (int i = 0; i < N; i++) {
        
                new Worker(i, semaphore).start();
            }
        }
    
        static class Worker extends Thread {
        
            private int num;
            private Semaphore semaphore;
    
            public Worker(int num, Semaphore semaphore) {
        
                this.num = num;
                this.semaphore = semaphore;
            }
    
            @Override
            public void run() {
        
                try {
        
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println("工人" + this.num + "占用一个机器在生产...");
                    Thread.sleep(2000);
                    System.out.println("工人" + this.num + "释放出机器");
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

--------------------

## 四、Exchanger（交换器） ##

Exchanger，俗称交换器，用于在线程之间交换数据，但是比较受限，因为只能两个线程之间交换数据

Exchanger 提供了一个同步点 exchange 方法，两个线程调用 exchange 方法时，无论调用时间先后，两个线程会互相等到线程到达 exchange 方法调用点，此时两个线程可以交换数据，将本线程产出数据传递给对方

Demo（商品方正在等待金钱方，使用货物兑换为金钱；金钱方正在等待商品方，使用金钱购买食物）：

/**
         * Exchanger实例
         */
        static final Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<String>();
    
        public static void main(String[] args) {
        
            // 模拟阻塞线程.
            new Thread(() -> {
        
                try {
        
                    String wares = "红烧肉";
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "商品方正在等待金钱方，使用货物兑换为金钱.");
                    Thread.sleep(2000);
                    String money = exchanger.exchange(wares);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "商品方使用商品兑换了" + money);
                } catch (InterruptedException ex) {
        
                    ex.printStackTrace();
                }
            }).start();
            // 模拟阻塞线程.
            new Thread(() -> {
        
                try {
        
                    String money = "人民币";
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "金钱方正在等待商品方，使用金钱购买食物.");
                    Thread.sleep(4000);
                    String wares = exchanger.exchange(money);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "金钱方使用金钱购买了" + wares);
                } catch (InterruptedException ex) {
        
                    ex.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }

--------------------

## 五、总结 ##

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同；CountDownLatch一般用于某个线程 A 等待若干个其他线程执行完任务之后，它才执行；而 CyclicBarrier 一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行；另外，CountDownLatch 是不能够重用的，而 CyclicBarrier 是可以重用的。

Semaphore 其实和锁有点类似，它一般用于控制对某组资源的访问权限。

Exchanger 用于在线程之间交换数据，但是比较受限，因为只能两个线程之间交换数据。