Java 多线程 : JUC 并发工具原理

桃扇骨 2023-10-03 21:44 44阅读 0赞

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### 一 . 前言 ###

趁着有空 , 赶紧把之前欠的债还上 . 这是多线程一阶段计划的最后一篇 , 后续多线程会转入修订和深入阶段 . 彻底吃透多线程.

### 二. 工具介绍 ###

之前说 [AQS][] 的时候曾经提到过这几个类 , 这几个类有一些各自的特点 , 很符合特定的场景 , 之前在生产上用的还挺舒服.

**我们一般使用的并发工具有四种 :**

> CyclicBarrier : 放学一起走

*  允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)
 *  让一组线程到达一个屏障时被阻塞，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干活

> CountDownLatch : 等人到齐了就触发

*  在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待
 *  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。
 *  之后，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。
 *  CountDownLatch是通过一个计数器来实现的，当我们在new 一个CountDownLatch对象的时候需要带入该计数器值，该值就表示了线程的数量。
 *  每当一个线程完成自己的任务后，计数器的值就会减1。当计数器的值变为0时，就表示所有的线程均已经完成了任务

> Semaphore

*  信号量Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器，和CountDownLatch一样，其本质上是一个“共享锁”。

> Exchanger

*  可以在对中对元素进行配对和交换的线程的同步点
 *  每个线程将条目上的某个方法呈现给 exchange 方法，与伙伴线程进行匹配，并且在返回时接收其伙伴的对象 , Exchanger 可能被视为 SynchronousQueue 的双向形式

### 三 .原理解析 ###

#### 3 .1 CyclicBarrier ####

> 作用 : 它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (Common Barrier Point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中，这些线程必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。**因为该 Barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环( Cyclic ) 的 屏障( Barrier )** 。

> 内部原理 : 内部使用重入锁ReentrantLock 和 Condition

> 构造函数 :

*  CyclicBarrier(int parties)：
    
     *  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。
 *  CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) ：
    
     *  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。

> 使用变量 :

*  parties 变量 : 表示拦截线程的总数量。
 *  count 变量 : 表示拦截线程的剩余需要数量。
 *  barrierAction 变量 : 为 CyclicBarrier 接收的 Runnable 命令，用于在线程到达屏障时，优先执行 barrierAction ，用于处理更加复杂的业务场景。
 *  generation 变量 : 表示 CyclicBarrier 的更新换代

// 常用方法 : 
    M- await : 等待状态
    M- await(long timeout, TimeUnit unit) : 等待超时
    M- dowait
        - 该方法第一步会试着获取锁 
        - 如果分代已经损坏，抛出异常
        - 如果线程中断，终止CyclicBarrier
        - 进来线程 ，--count 
        - count == 0 表示所有线程均已到位，触发Runnable任务
        - 唤醒所有等待线程，并更新generation
        > 跳出等待状态的方法
            - 最后一个线程到达，即index == 0
            - 超出了指定时间（超时等待）
            - 其他的某个线程中断当前线程
            - 其他的某个线程中断另一个等待的线程
            - 其他的某个线程在等待barrier超时
            - 其他的某个线程在此barrier调用reset()方法。reset()方法用于将屏障重置为初始状态。
    SC- Generation : 描述了 CyclicBarrier 的更新换代。
        - 在CyclicBarrier中，同一批线程属于同一代。
        - 当有 parties 个线程全部到达 barrier 时，generation 就会被更新换代。
        - 其中 broken 属性，标识该当前 CyclicBarrier 是否已经处于中断状态
    M- breakBarrier : 终止所有的线程
    M- nextGeneration : 更新换代操作
    	- 1. 唤醒所有线程。
    	- 2. 重置 count 。
    	- 3. 重置 generation 。
    M- reset : 重置 barrier 到初始化状态 
    M- getNumberWaiting : 获得等待的线程数
    M- 判断 CyclicBarrier 是否处于中断
        
    复制代码

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> 使用案例 :

[Gitee CyclicBarrier 使用][Gitee CyclicBarrier]

> 问题补充 :

// 问题一 : 拦截的核心
    1. 传入总得 Count 数
    2. 每次进来都会 --count , 同时判断 count ==0 
    3. 如果不为 0 ,当前线程就会阻塞
    
    // 问题二 : 涉及源码
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    
    复制代码

#### 3.2 CountDownLatch ####

在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待

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**。之后，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。如果需要重置计数，请考虑使用 CyclicBarrier**。

CountDownLatch是通过一个计数器来实现的，当我们在new 一个CountDownLatch对象的时候需要带入该计数器值，该值就表示了线程的数量。每当一个线程完成自己的任务后，计数器的值就会减1。当计数器的值变为0时，就表示所有的线程均已经完成了任务

// 内部主要方法
    > CountDownLatch内部依赖Sync实现，而Sync继承AQS
    
    > sync :
        : tryAcquireShared 获取同步状态
        : tryReleaseShared 释放同步状态
    	
    > await() :
        使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断
        : sync.acquireSharedInterruptibly(1);
        : 内部使用AQS的acquireSharedInterruptibly(int arg)
    	
    > getState()
        : 获取同步状态，其值等于计数器的值
        : 从这里我们可以看到如果计数器值不等于0，则会调用doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    
    > doAcquireSharedInterruptibly
        : 自旋方法会尝试一直去获取同步状态
    	
    > countDown
        : CountDownLatch提供countDown() 方法递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程
        : 内部调用AQS的releaseShared(int arg)方法来释放共享锁同步状态
        : tryReleaseShared(int arg)方法被CountDownLatch的内部类Sync重写    
    
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> 参考案例

[Gitee CountDownLatch 使用][Gitee CountDownLatch]

> 总结 CountDownLatch 内部通过共享锁实现。在创建CountDownLatch实例时，需要传递一个int型的参数：count，该参数为计数器的初始值，也可以理解为该共享锁可以获取的总次数。

**当某个线程调用await()方法**，程序首先判断count的值是否为0，如果不会0的话则会一直等待直到为0为止 (**PS : 可以多个线程都调用 await**)

**当其他线程调用countDown()方法时**，则执行释放共享锁状态，使count值 – 1 (**PS :countDown 并不会阻塞**)

当在创建CountDownLatch时初始化的count参数，**必须要有count线程调用countDown方法才会使计数器count等于0，锁才会释放，前面等待的线程才会继续运行**。注意CountDownLatch不能回滚重置

#### 3 .3 Semaphore ####

> 基础点 信号量Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器，和CountDownLatch一样，**其本质上是一个“共享锁”**。

从概念上讲，信号量维护了一个许可集。**如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可**。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。

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

**当一个线程想要访问某个共享资源时，它必须要先获取Semaphore，当Semaphore >0时，获取该资源并使Semaphore – 1**。如果Semaphore值 = 0，则表示全部的共享资源已经被其他线程全部占用，线程必须要等待其他线程释放资源。当线程释放资源时，Semaphore则+1

> 实现细节  
> Semaphore提供了两个构造函数：

*  Semaphore(int permits) ：创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。
 *  Semaphore(int permits, boolean fair) ：创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。

**Semaphore默认选择非公平锁。**

**当信号量Semaphore = 1 时，它可以当作互斥锁使用。其中0、1就相当于它的状态，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。**

//------ 信号量获取
    > acquire()方法来获取一个许可
    	: 内部调用AQS的acquireSharedInterruptibly(int arg)，该方法以共享模式获取同步状态
    	
    
    > 公平 
        : 判断该线程是否位于CLH队列的列头
        : 获取当前的信号量许可
        : 设置“获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数”
        : CAS设置信号量
    > 非公平
        : 不需要判断当前线程是否位于CLH同步队列列头
         
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#### 3 .4 Exchanger ####

可以在对中对元素进行配对和交换的线程的同步点

每个线程将条目上的某个方法呈现给 exchange 方法，与伙伴线程进行匹配，并且在返回时接收其伙伴的对象 , Exchanger 可能被视为 SynchronousQueue 的双向形式

Exchanger，它允许在并发任务之间交换数据 : 当两个线程都到达同步点时，他们交换数据结构，因此第一个线程的数据结构进入到第二个线程中，第二个线程的数据结构进入到第一个线程中

**TODO : Exchanger 的源代码比较绕 ,而且这个组件使用场景并不多 , 所以先留个坑 , 以后项目上真的有场景了再实际上分析一下**

#### 3.5 并发工具使用 ####

@ [github.com/black-ant/c…][github.com_black-ant_c]

### 补充 : ###

#### \# CountDownLatch 和 CyclicBarrier 如何理解 ? ####

*  CyclicBarrier : 小学生去郊游 , 老师下车时统计人数 ,**人数到齐了才能一起参观**
 *  CountDownLatch : 幼儿园老师送孩子(ChildThread)放学 , 走一个记一个数 ,当所有的学生放学后 , **老师(BossThread)下班**

// 核心解释 : 
    CyclicBarrier 就是一堵墙 , 人数到了所有线程才能一起越过墙
    CountDownLatch 只是一个计数器 , 数目到了主线程才能执行
    
    // 其他要点 : 
    CyclicBarrier 可以重置计数 , CountDownLatch 不可以
    复制代码

### 总结 ###

**终于补上了最后一块板 , 后面来真正的深入多线程看看吧 , 争取早日成为多线程大师段位**

[format_png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/19551702a88499b645e787954c004f64.webp?x-oss-process=image/format,png
[AQS]: https://juejin.cn/post/6939891099243085861
[format_png 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d8f96ed1b180745f8499f44d3709001b.webp?x-oss-process=image/format,png
[Gitee CyclicBarrier]: https://link.juejin.cn/?target=https%3A%2F%2Fgitee.com%2Fantblack%2Fcase%2Fblob%2Fmaster%2Fcase%2520Module%2520Thread%2Fcase%2520Thread%2520JUC%2520Utils%2Fsrc%2Fmain%2Fjava%2Fcom%2Fgang%2Fjuc%2Fdemo%2Fservice%2FJUCCyclicBarrierUtils.java
[format_png 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/33b1eb43bff7560979176a753242b808.webp?x-oss-process=image/format,png
[Gitee CountDownLatch]: https://link.juejin.cn/?target=https%3A%2F%2Fgitee.com%2Fantblack%2Fcase%2Fblob%2Fmaster%2Fcase%2520Module%2520Thread%2Fcase%2520Thread%2520JUC%2520Utils%2Fsrc%2Fmain%2Fjava%2Fcom%2Fgang%2Fjuc%2Fdemo%2Fservice%2FJUCCountDownLatchUtils.java
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[github.com_black-ant_c]: https://link.juejin.cn/?target=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fblack-ant%2Fcase%2Ftree%2Fmaster%2Fcase%2520Module%2520Thread%2Fcase%2520Thread%2520JUC%2520Utils