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高并发编程系列:CountDownLatch、Semaphore等4大并发工具类详解

Java 马 东东 3个月前 (05-03) 51次浏览 0个评论 扫描二维码

通常我们所说的并发包也就是java.util.concurrent,Java并发编程集中在这个并发包种,主要包含:Java并发工具类和并发容器等。

今天主要介绍concurrent包的内容以及4大并发工具类。

并发工具包

1.并发工具类

提供了比synchronized更加高级的各种同步结构:包括CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等,可以实现更加丰富的多线程操作。

2.并发容器

提供各种线程安全的容器:最常见的ConcurrentHashMap、有序的ConcurrentSkipListMap,实现线程安全的动态数组CopyOnWriteArrayList等。

3.并发队列

各种BlockingQueue的实现:常用的ArrayBlockingQueue、SynchorousQueue或针对特定场景的PriorityBlockingQueue。

4.Executor框架

可以创建各种不同类型的线程池,调度任务运行等,绝大部分情况下,不再需要自己从头实现线程池和任务调度器。

常用的并发容器

1.ConcurrentHashMap

经常使用的并发容器,JDK 1.7和1.8的底层数据结构发生了变化(后续文章会详解),这里可以建议学习顺序如下:从Java7 HashMap -> Java7 ConcurrentHashMap -> Java8 HashMap -> Java8 ConcurrentHashMap,这样可以更好的掌握这个并发容器,毕竟都是从HashMap进化而来。

2.ConcurrentSkipListMap

在乎顺序,需要对数据进行非常频繁的修改

3.CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。

4.各种并发队列的实现

如各种BlockedQueue实现,比较典型的ArrayBlockingQueue、SynchorousQueue。

详情请看:高并发编程系列:并发容器的原理,7大并发容器详解、及使用场景

高并发编程系列:CountDownLatch、Semaphore等4大并发工具类详解

常用的并发工具类

1.CountDownLatch

功能

CountDownLatch是一个同步的辅助类,允许一个或多个线程,等待其他一组线程完成操作,再继续执行。

原理

  •  CountDownLatch是通过一个计数器来实现的,计数器的初始值为需要等待线程的数量。

eg:CountDownLatch c = new CountDownLatch(10); // 等待线程的数量为10

  •  主线程调用CountDownLatch的await()方法会阻塞当前线程(即:主线程在闭锁上等待),直到计数器的值为0。
  •  当一个工作线程完成了自己的任务后,调用CountDownLatch的countDown()方法,计数器的值就会减1。
  •  当计数器值为0时,说明所有的工作线程都执行完了,此时,在闭锁上等待的主线程就可以恢复执行任务。

应用场景

倒数计时器

例如:一种典型的场景就是火箭发射。在火箭发射前,为了保证万无一失,往往还要进行各项设备、仪器的检查。 只有等所有检查完毕后,引擎才能点火。这种场景就非常适合使用CountDownLatch。

它可以使得点火线程,等待所有检查线程全部完工后,再执行

使用方式

static final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);
end.countDown(); 
end.await();

示意图:

高并发编程系列:CountDownLatch、Semaphore等4大并发工具类详解

2.CyclicBarrier

功能:

CyclicBarrier的字面意思是可循环使用(Cyclic)的屏障(Barrier)。它要做的事情是,让一组线程到达一个屏障(也可以叫同步点)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运行。

和CountDownLatch相似,也是等待某些线程都做完以后再执行。

与CountDownLatch区别

在于这个计数器可以反复使用。比如,假设我们将计数器设置为10。那么凑齐第一批1 0个线程后,计数器就会归零,然后接着凑齐下一批10个线程。

原理:

1)CyclicBarrier是通过一个计数器来实现的,计数器的初始值为需要等待线程的数量。eg:CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2); // 等待线程的数量为2

2)每个线程调用CyclicBarrier的await()方法,使自己进入等待状态。

3)当所有的线程都调用了CyclicBarrier的await()方法后,所有的线程停止等待,继续运行。

使用方式:

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) 
barrierAction就是当计数器一次计数完成后,系统会执行的动作
await()

示意图:

高并发编程系列:CountDownLatch、Semaphore等4大并发工具类详解

3.信号量Semaphore

功能:Java提供了经典信号量Semaphore的实现,它通过控制一定数量的许可(permit)的方式,来达到限制通用资源访问的目的。例如:控制并发的线程数。

原理:

1)Semaphore是通过一个计数器(记录许可证的数量)来实现的,计数器的初始值为需要等待线程的数量。

eg:Semaphore s = new Semaphore(10); // 线程最大的并发数为10

2)线程通过acquire()方法获取许可证(计数器的值减1),只有获取到许可证才可以继续执行下去,否则阻塞当前线程。

3)线程通过release()方法归还许可证(计数器的值加1)。

说明:使用tryAcquire()方法可以立即得到执行的结果:尝试获取一个许可证,若获取成功,则立即返回true,若获取失败,则立即返回false。

应用场景:

Semaphore可以用于做流量控制,特别是公用资源有限的应用场景,比如数据库连接。

举一个场景:例如在车站、机场等出租车时,当很多空出租车就位时,为防止过度拥挤,调度员指挥排队等待坐车的队伍一次进来5个人上车,等这5个人坐车出发,再放进去下一批。这和Semaphore的工作原理有些类似。

4.交换者Exchanger

功能:Exchanger(交换者)是一个用于线程间协作的工具类。Exchanger用于进行线程间的数据交换。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。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,当两个线程都到达同步点时,这两个线程就可以交换数据,将本线程生产出来的数据传递给对方。

原理

1)线程A调用public V exchange(V dataA)方法,线程A到达同步点,并且在线程B到达同步点前一直等待。

2)线程B调用public V exchange(V dataB)方法,线程B到达同步点。

3)线程A与线程B都达到同步点时,线程将自己的数据传递给对方,两个线程完成了数据的交换了。

Exchanger的应用场景

Exchanger可以用于校对工作的场景。


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