Java并发编程【线程中通信 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 介绍和用法】

2019年4月22日 作者 jacky

CountDownLatch

什么是CountDownLatch

一个同步辅助类,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 是一个通用同步工具,它有很多用途。将计数 1 初始化的 CountDownLatch 用作一个简单的开/关锁存器,或入口:在通过调用 countDown() 的线程打开入口前,所有调用 await 的线程都一直在入口处等待。用 N 初始化的 CountDownLatch 可以使一个线程在 N 个线程完成某项操作之前一直等待,或者使其在某项操作完成 N 次之前一直等待。

CountDownLatch 的一个有用特性是,它不要求调用 countDown 方法的线程等到计数到达零时才继续,而在所有线程都能通过之前,它只是阻止任何线程继续通过一个 await。

CountDownLatch方法解析

  • void 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。
  • boolean await(long timeout, TimeUnit unit) 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待,除非线程被中断或超出了指定的等待时间。
  • void countDown() 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。
  • long getCount() 返回当前计数。
  • String toString() 返回标识此锁存器及其状态的字符串。

CountDownLatch的用法

这里模拟多线程处理多任务后通知主线程。
举个例子

/**
 * class_name: Demo
 * package: com.jacky.thread.test14
 * describe: 利用countdownlatch来实现多线程任务通知
 * creat_user: Jacky
 * creat_date: 2019/1/22
 * creat_time: 下午2:27
 **/
public class Demo {


    public static void main(String[] args) {

        //假设有3个线程处理任务
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Random random = new Random();
                        int second = random.nextInt(10) ;
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 我正在处理需要时间为" + second + "秒");
                        //模拟业务处理时间
                        Thread.sleep(second * 1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //通知
                    countDownLatch.countDown();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 处理完成了,还剩任务数:" + countDownLatch.getCount());
                }
            }).start();
        }


        try {
            //主线程在等待线程完成
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("全部完成了");

    }
}

CyclicBarrier

什么是CyclicBarrier

一个同步辅助类,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 的 barrier。

CyclicBarrier 支持一个可选的 Runnable 命令,在一组线程中的最后一个线程到达之后(但在释放所有线程之前),该命令只在每个屏障点运行一次。若在继续所有参与线程之前更新共享状态,此屏障操作 很有用。

CyclicBarrier的方法

  • 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。
  • int await() 在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前,将一直等待。
  • int await(long timeout, TimeUnit unit) 在所有参与者都已经在此屏障上调用 await 方法之前将一直等待,或者超出了指定的等待时间。
  • int getNumberWaiting() 返回当前在屏障处等待的参与者数目。
  • int getParties() 返回要求启动此 barrier 的参与者数目。
  • boolean isBroken() 查询此屏障是否处于损坏状态。
  • void reset() 将屏障重置为其初始状态。

栗子:模拟游戏开局
举个例子

/**
 * class_name: CyclicBarrierDemo
 * package: com.jacky.thread.test14
 * describe: 模拟王者荣耀等待人数开局
 * creat_user: Jacky
 * creat_date: 2019/1/22
 * creat_time: 下午1:14
 **/
public class CyclicBarrierDemo {

    Random random = new Random();

    public void ready(CyclicBarrier cyclicBarrier ){
        int waitTime = random.nextInt(10);
        try {
            Thread.sleep(waitTime * 1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 我选好英雄了,准备好了....");
            cyclicBarrier.await();
//        cyclicBarrier.await(10, TimeUnit.SECONDS);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 开始战斗....");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    public static void main(String[] args) {

        CyclicBarrierDemo d = new CyclicBarrierDemo();
        //等待游戏人数
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("正在加载游戏 .....");
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("旁白: 欢迎来到王者荣耀....!");
            }
        });

        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    d.ready(cyclicBarrier);
                }
            }).start();
        }

    }

}

Semaphore

Semaphore是什么

一个计数信号量。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。但是,不使用实际的许可对象,Semaphore 只对可用许可的号码进行计数,并采取相应的行动。

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

Semaphore的方法

  • 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。
  • void acquire() 从此信号量获取一个许可,在提供一个许可前一直将线程阻塞,否则线程被中断。
  • void acquire(int permits) 从此信号量获取给定数目的许可,在提供这些许可前一直将线程阻塞,或者线程已被中断。
  • void acquireUninterruptibly() 从此信号量中获取许可,在有可用的许可前将其阻塞。
  • void acquireUninterruptibly(int permits) 从此信号量获取给定数目的许可,在提供这些许可前一直将线程阻塞。
  • int availablePermits() 返回此信号量中当前可用的许可数。
  • int drainPermits() 获取并返回立即可用的所有许可。
  • protected Collection
  • getQueuedThreads() 返回一个 collection,包含可能等待获取的线程。
  • int getQueueLength() 返回正在等待获取的线程的估计数目。
  • boolean hasQueuedThreads() 查询是否有线程正在等待获取。
  • boolean isFair() 如果此信号量的公平设置为 true,则返回 true。
  • protected void reducePermits(int reduction) 根据指定的缩减量减小可用许可的数目。
  • void release() 释放一个许可,将其返回给信号量。
  • void release(int permits) 释放给定数目的许可,将其返回到信号量。
  • String toString() 返回标识此信号量的字符串,以及信号量的状态。
  • boolean tryAcquire() 仅在调用时此信号量存在一个可用许可,才从信号量获取许可。
  • boolean tryAcquire(int permits) 仅在调用时此信号量中有给定数目的许可时,才从此信号量中获取这些许可。
  • boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) 如果在给定的等待时间内此信号量有可用的所有许可,并且当前线程未被中断,则从此信号量获取给定数目的许可。
  • boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 如果在给定的等待时间内,此信号量有可用的许可并且当前线程未被中断,则从此信号量获取一个许可。

这个Semaphore也没有这么难理解。让我们来模拟一下我们在等地铁过安检的场景,即使后面有无数的人在排队,但是安检的时候也只能一个个过去吧。

举个例子

/**
 * class_name: SemaphoreDemo
 * package: com.jacky.thread.test14
 * describe: 模拟只能同时固定数目的人过安检
 * creat_user: Jacky
 * creat_date: 2019/1/22
 * creat_time: 下午1:40
 **/
public class SemaphoreDemo {

    Random random = new Random();

    public void securityCheck(Semaphore semaphore){

        try {

            semaphore.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 正在过安检.....");
            int waitTime = random.nextInt(5);
            Thread.sleep(waitTime* 1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 完成安检!");
            semaphore.release();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    public static void main(String[] args) {


        //这里的安检只能同时容纳一个人
        Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
        SemaphoreDemo semaphoreDemo = new SemaphoreDemo();
        //假设此时这个地铁站有100个人(我硬件不行,你可以模拟无数的人)
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 正在排队.....");
                    semaphoreDemo.securityCheck(semaphore);
                }
            }).start();
        }

    }
}

结果很明显,即使很多线程都准备好了,也只能一个一个接受安检。