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十、Java多线程之J.U.C 并发容器AQS组件(CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier)

2019-03-22 17:48 891 查看
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AQS

AQS概述

AQS(AbstractQueuedSynchronizer),是并发容器J.U.C(java.lang.concurrent)下locks包内的一个类。它实现了一个FIFO(FirstIn、FisrtOut先进先出)的队列。底层实现的数据结构是一个双向列表

  • Sync queue:同步队列,是一个双向列表。包括head节点和tail节点。head节点主要用作后续的调度。
  • Condition queue:非必须,单向列表。当程序中存在cindition的时候才会存在此列表。

AQS设计思想

  • 使用Node实现FIFO队列,可以用于构建锁或者其他同步装置的基础框架。
  • 利用int类型标识状态。在AQS类中有一个叫做state的成员变量。
/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;
  • 基于AQS有一个同步组件,叫做ReentrantLock。在这个组件里,stste表示获取锁的线程数,假如state=0,表示还没有线程获取锁,1表示有线程获取了锁。大于1表示重入锁的数量。
  • 继承:子类通过继承并通过实现它的方法管理其状态(acquire和release方法操纵状态)。
  • 可以同时实现排它锁和共享锁模式(独占、共享),站在一个使用者的角度,AQS的功能主要分为两类:独占和共享。它的所有子类中,要么实现并使用了它的独占功能的api,要么使用了共享锁的功能,而不会同时使用两套api,即便是最有名的子类ReentrantReadWriteLock也是通过两个内部类读锁和写锁分别实现了两套api来实现的。

AQS的大致实现思路

AQS内部维护了一个CLH队列来管理锁。线程会首先尝试获取锁,如果失败就将当前线程及等待状态等信息包装成一个node节点加入到同步队列sync queue里。
接着会不断的循环尝试获取锁,条件是当前节点为head的直接后继才会尝试。如果失败就会阻塞自己直到自己被唤醒。而当持有锁的线程释放锁的时候,会唤醒队列中的后继线程。

AQS组件:CountDownLatch

  • 通过一个计数来保证线程是否需要被阻塞。实现一个或多个线程等待其他线程执行的场景。

我们定义一个CountDownLatch,通过给定的计数器为其初始化,该计数器是原子性操作,保证同时只有一个线程去操作该计数器。调用该类await方法的线程会一直处于阻塞状态。只有其他线程调用countDown方法(每次使计数器-1),使计数器归零才能继续执行。

@Slf4j
public class CountDownLatchExample1 {

private final static int threadCount = 200;

private static Logger log = LoggerFactory.getLogger(CountDownLatchExample1.class);

public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);

for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
exec.execute(() -> {
try {
test(threadNum);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
} finally {
countDownLatch.countDown();
}
});
}
countDownLatch.await();
log.info("finish");
exec.shutdown();
}

private static void test(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(100);
log.info("{}", threadNum);
Thread.sleep(100);
}
}

执行结果:先等待线程池中的线程执行结束,countDownLatch减为0,主线程继续。

CountDownLatch的await方法还有重载形式,可以设置等待的时间,如果超过此时间,计数器还未清零,则不继续等待:

countDownLatch.await(10, TimeUnit.MILLISECONDS);

//参数1:等待的时间长度
//参数2:等待的时间单位
@Slf4j
public class CountDownLatchExample2 {

private final static int threadCount = 200;

private static Logger log = LoggerFactory.getLogger(CountDownLatchExample2.class);

public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);

for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
exec.execute(() -> {
try {
test(threadNum);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
} finally {
countDownLatch.countDown();
}
});
}
countDownLatch.await(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
log.info("finish");
exec.shutdown();
}

private static void test(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(100);
log.info("{}", threadNum);
}
}

执行结果:不等线程池中的线程执行结束,主线程就开始执行Finnish。

AQS组件:Semaphore

  • 用于保证同一时间并发访问线程的数目。
  • 信号量在操作系统中是很重要的概念,Java并发库里的Semaphore就可以很轻松的完成类似操作系统信号量的控制。
  • Semaphore可以很容易控制系统中某个资源被同时访问的线程个数。
  • 在数据结构中我们学过链表,链表正常是可以保存无限个节点的,而Semaphore可以实现有限大小的列表。
  • 使用场景:仅能提供有限访问的资源。比如数据库连接。
  • Semaphore使用acquire方法和release方法来实现控制:
/**
* 1、普通调用
*/
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
//意为每次可以执行三个permit的线程,一个线程一个许可,所以该程序是三个三个一起输出。

for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
exec.execute(() -> {
try {
semaphore.acquire(); // 获取一个许可
test(threadNum);
semaphore.release(); // 释放一个许可
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
exec.shutdown();

/**
* 2、同时获取多个许可,同时释放多个许可
*/
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
//意为每次可以执行三个permit的线程,一个线程三个许可,所以该程序是一个一个一起输出。

for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
exec.execute(() -> {
try {
semaphore.acquire(3); // 获取多个许可
test(threadNum);
semaphore.release(3); // 释放多个许可
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
exec.shutdown();

/*
* 3、尝试获取许可,获取不到不执行
* 因此该程序只执行三次,在3个线程获取许可后执行的三秒之内,其他线程获取不到,所以直接结束,因此只能输出三个线程结果。
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
exec.execute(() -> {
try {
if (semaphore.tryAcquire()) { // 尝试获取一个许可
test(threadNum);
semaphore.release(); // 释放一个许可
}
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
exec.shutdown();
}

private static void test(int threadNum) throws Exception {
log.info("{}", threadNum);
Thread.sleep(1000);
}
}

/*
* 4、尝试获取许可一段时间,获取不到不执行
* 参数1:等待时间长度  参数2:等待时间单位
*
* 因此该程序执行5次,在3个线程获取许可后执行的三秒之内,其他线程在三秒内可以获取到许可,所以有5秒中的时间等待,
* 可以执行5组,每组三个线程,所以执行到第15个线程时,剩下的5个线程,超时5秒,因此直接结束。
*/
try {
if (semaphore.tryAcquire(5000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
test(threadNum);
semaphore.release();
}
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}

AQS组件:CyclicBarrier

  • 也是一个同步辅助类,它允许一组线程相互等待,直到到达某个公共的屏障点(循环屏障)
  • 通过它可以完成多个线程之间相互等待,只有每个线程都准备就绪后才能继续往下执行后面的操作。
  • 每当有一个线程执行了await方法,计数器就会执行+1操作,待计数器达到预定的值,所有的线程再同时继续执行。由于计数器释放之后可以重用(reset方法),所以称之为循环屏障。
  • 与CountDownLatch区别:
    1、计数器可重复用。
    2、描述一个或多个线程等待其他线程的关系/多个线程相互等待。
//使用方法1:每个线程都持续等待
public class CyclicBarrierExample1 {

private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);

private static Logger log = LoggerFactory.getLogger(CyclicBarrierExample1.class);

public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
executor.execute(() -> {
try {
race(threadNum);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
executor.shutdown();
}

private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
log.info("{} is ready", threadNum);
barrier.await();
log.info("{} continue", threadNum);
}
}

执行结果: 5个线程准备好,5个一起释放执行。

//使用方法2:每个线程只等待一段时间
public class CyclicBarrierExample2 {

private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
private static Logger log = LoggerFactory.getLogger(CyclicBarrierExample2.class);

public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
executor.execute(() -> {
try {
race(threadNum);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
executor.shutdown();
}

private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
log.info("{} is ready", threadNum);
try {
barrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
} catch (Exception e) {
log.warn("BarrierException", e);
}
log.info("{} continue", threadNum);
}
}

执行结果:2秒中之后。barrier不再等待,会抛出异常。

//使用方法3:在初始化的时候设置runnable,当线程达到屏障时优先执行runnable
public class CyclicBarrierExample3 {

private static Logger log = LoggerFactory.getLogger(CyclicBarrierExample3.class);

private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
log.info("callback is running");
});

public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
executor.execute(() -> {
try {
race(threadNum);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
executor.shutdown();
}

private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
log.info("{} is ready", threadNum);
barrier.await();
log.info("{} continue", threadNum);
}
}

执行结果:5个线程都准备好之后,优先执行barrier中的重写的run方法。

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