J.U.C--同步工具类

前面已经介绍了：同步容器类、并发容器类、阻塞队列(BlockingQueue)，接下来介绍同步工具类。

本文主要介绍下面四种同步工具类：
1）CountDownLatch
2）FutureTask
3）Semaphore
4）CyclicBarrier

同步工具类可以是任何一个对象，只要根据自身的状态来协调线程的控制流。阻塞队列可以作为同步工具类，其余的还包括：信号量(Semaphore)、栅栏(Barrier)以及闭锁(Latch)。

1.闭锁–CountDownLatch

闭锁(Latch)是一种同步工具类，可以延迟线程的进度，直到其到达终止状态。

闭锁相当于一扇门：在闭锁到达结束状态之前，这扇门一直是关闭的，并且没有任何线程可以通过；当闭锁到达结束状态时，这扇门会打开并允许所有的线程通过。并且当闭锁到达结束状态后不可逆转，这扇门会一直保持打开的状态。

应用场景：确保某些活动直到其他活动都结束了才继续执行。

CountDownLatch是一种灵活的闭锁实现：这是一个同步辅助类，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。

CountDownLatch类的状态包括一个设置为初始正值的初始值计数值。
1、任何在此CountDownLatch对象上调用await()方法的方法都将阻塞，直到计数值到达0。
2、被等待的工作任务在其工作结束之后可以在run()方法中调用CountDownLatch对象上的countDown()方法，将计数值减一。

等待任务和工作任务使用的调用的必须是同一个CountDownLatch对象，所以这个对象我们一般通过构造器传入。当CountDownLatch对象的计数器变成0了之后，所有调用await()的等待任务都会被唤醒而执行。

下面是一个使用CountDownLatch的示例：

package thread;import java.util.concurrent.*;import java.util.*;/** * CountDownLatch的一个用法示例， * 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 *//** * work线程 */class TaskPortion implements Runnable {    private static int counter = 0;    private final int id = counter++;//唯一id    private static Random rand = new Random(47);    private final CountDownLatch latch;    TaskPortion(CountDownLatch latch) {        this.latch = latch;    }    public void run() {        try {            doWork();            latch.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        } catch(InterruptedException ex) {            // Acceptable way to exit        }    }    private void doWork() throws InterruptedException {        //做任务耗时        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(rand.nextInt(2000));        System.out.println(this + "completed");    }    public String toString() {        return String.format("%1$-3d ", id);    }}/** * 等待线程 */class WaitingTask implements Runnable {    private static int counter = 0;    private final int id = counter++;//唯一id    private final CountDownLatch latch;    WaitingTask(CountDownLatch latch) {        this.latch = latch;    }    public void run() {        try {            latch.await();//使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断。            System.out.println("Latch barrier passed for " + this);        } catch(InterruptedException ex) {            System.out.println(this + " interrupted");        }    }    public String toString() {        return String.format("WaitingTask %1$-3d ", id);    }}/** * main thread */public class CountDownLatchDemo {    static final int SIZE = 100;    public static void main(String[] args) throws Exception {        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();        // All must share a single CountDownLatch object:        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(SIZE);//构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch。        //10个等待线程        for(int i = 0; i < 10; i++){            exec.execute(new WaitingTask(latch));        }        //100个计数线程        for(int i = 0; i < 100; i++){            exec.execute(new TaskPortion(latch));        }        System.out.println("Launched all tasks");        exec.shutdown(); // Quit when all tasks complete    }}/** (Execute to see output)Launched all tasks95  completed47  completed>...................64  completed83  completed16  completedLatch barrier passed for WaitingTask 0   Latch barrier passed for WaitingTask 1   Latch barrier passed for WaitingTask 2   Latch barrier passed for WaitingTask 3   Latch barrier passed for WaitingTask 4   Latch barrier passed for WaitingTask 5   Latch barrier passed for WaitingTask 6   Latch barrier passed for WaitingTask 7   Latch barrier passed for WaitingTask 8   Latch barrier passed for WaitingTask 9  */

上面的例子中，先等待100个工作线程TaskPortion先执行完，等待它们执行完了之后，再执行WaitingTask等待的线程。从输出结果我们可以看出正确性。
github的完整源代码：

2. FutureTask

1.首先看看类的继承关系：

2.概念

先来看看JDK是怎么介绍这个类的：

可取消的异步计算。利用开始和取消计算的方法、查询计算是否完成的方法和获取计算结果的方法，此类提供了对 Future 的基本实现。仅在计算完成时才能获取结果；如果计算尚未完成，则阻塞 get 方法。一旦计算完成，就不能再重新开始或取消计算。

可使用 FutureTask 包装 Callable 或 Runnable 对象。因为 FutureTask 实现了 Runnable，所以可将 FutureTask 提交给 Executor 执行。

从上面我们可以知道：FutureTask表示的计算可以处于以下3种状态之一：等待运行、正在运行和运行完成。注意这里的“执行完成”表示所有的可能结束方式：正常结束、由于取消而结束、由于异常而结束。当FutureTask到达完成状态后会一直停留在这个状态，也就是说FutureTask是一种一次性的计算。

3.FutureTask的应用场景：

1）FutureTask执行多任务计算的使用场景

利用FutureTask和ExecutorService，可以用多线程的方式提交计算任务，主线程继续执行其他任务，当主线程需要子线程的计算结果时，在异步获取子线程的执行结果。

package thread;/** * Created by louyuting on 17/1/11. */import java.util.ArrayList;import java.util.List;import java.util.concurrent.*;/** * FutureTask执行多任务计算的使用场景 */public class FutureTaskForMultiCompute {    public static void main(String[] args) {        FutureTaskForMultiCompute inst = new FutureTaskForMultiCompute();        // 创建任务集合        List<FutureTask<Integer>> taskList = new ArrayList<FutureTask<Integer>>();        // 创建线程池        ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(5);        for (int i = 0; i < 10; i++) {            // 传入Callable对象创建FutureTask对象            FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<Integer>(inst.new ComputeTask(i, ""+i));            taskList.add(ft);            // 提交给线程池执行任务，也可以通过exec.invokeAll(taskList)一次性提交所有任务;            exec.submit(ft);        }        System.out.println("所有计算任务提交完毕, 主线程接着干其他事情！");        // 开始统计各计算线程计算结果        Integer totalResult = 0;        for (FutureTask<Integer> ft : taskList) {            try {                //FutureTask的get方法会自动阻塞,直到获取计算结果为止                totalResult = totalResult + ft.get();            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            } catch (ExecutionException e) {                e.printStackTrace();            }        }        // 关闭线程池        exec.shutdown();        System.out.println("多任务计算后的总结果是:" + totalResult);    }    /**     * 计算线程     */    private class ComputeTask implements Callable<Integer> {        private Integer result = 0;        private String taskName = "";        public ComputeTask(Integer iniResult, String taskName){            result = iniResult;            this.taskName = taskName;            System.out.println("生成子线程计算任务: "+taskName);        }        public String getTaskName(){            return this.taskName;        }        /**         * 带返回值的call调用         * @return         * @throws Exception         */        @Override        public Integer call() throws Exception {            for (int i = 1; i <= 100; i++) {                result =+ i;            }            // 休眠5秒钟，观察主线程行为，预期的结果是主线程会继续执行，到要取得FutureTask的结果是等待直至完成。            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);            //Thread.sleep(5000);            System.out.println("子线程计算任务: "+taskName+" 执行完成!");            return result;        }    }}

github完成源代码地址

2) FutureTask在高并发环境下确保任务只执行一次

在很多高并发的环境下，往往我们只需要某些任务只执行一次。这种使用情景FutureTask的特性恰能胜任。举一个例子，假设有一个带key的连接池，当key存在时，即直接返回key对应的对象；当key不存在时，则创建连接。对于这样的应用场景，通常采用的方法为使用一个Map对象来存储key和连接池对应的对应关系，典型的代码如下面所示：

private Map<String, Connection> connectionPool = new HashMap<String, Connection>();private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public Connection getConnection(String key){    try{        lock.lock();        if(connectionPool.containsKey(key)){            return connectionPool.get(key);        }        else{            //创建 Connection            Connection conn = createConnection();            connectionPool.put(key, conn);            return conn;        }    }    finally{        lock.unlock();    }}//创建Connectionprivate Connection createConnection(){    return null;}

在上面的例子中，我们通过加锁确保高并发环境下的线程安全，也确保了connection只创建一次，然而确牺牲了性能。改用ConcurrentHash的情况下，几乎可以避免加锁的操作，性能大大提高，但是在高并发的情况下有可能出现Connection被创建多次的现象。这时最需要解决的问题就是当key不存在时，创建Connection的动作能放在connectionPool之后执行，这正是FutureTask发挥作用的时机，基于ConcurrentHashMap和FutureTask的改造代码如下：

private ConcurrentHashMap<String,FutureTask<Connection>>connectionPool = new ConcurrentHashMap<String, FutureTask<Connection>>();public Connection getConnection(String key) throws Exception{    FutureTask<Connection>connectionTask=connectionPool.get(key);    if(connectionTask!=null){        return connectionTask.get();    }    else{        Callable<Connection> callable = new Callable<Connection>(){            @Override            public Connection call() throws Exception {                // TODO Auto-generated method stub                return createConnection();            }        };        FutureTask<Connection>newTask = new FutureTask<Connection>(callable);        connectionTask = connectionPool.putIfAbsent(key, newTask);        if(connectionTask==null){            connectionTask = newTask;            connectionTask.run();        }        return connectionTask.get();    }}//创建Connectionprivate Connection createConnection(){    return null;}

经过这样的改造，可以避免由于并发带来的多次创建连接及锁的出现。

3. 信号量

Semaphore是非常有用的一个组件，它相当于是一个并发控制器，是用于管理信号量的。构造的时候传入可供管理的信号量的数值，这个数值就是控制并发数量的，我们需要控制并发的代码，执行前先通过acquire方法获取信号，执行后通过release归还信号 。每次acquire返回成功后，Semaphore可用的信号量就会减少一个，如果没有可用的信号，acquire调用就会阻塞，等待有release调用释放信号后，acquire才会得到信号并返回。

Semaphore分为单值和多值两种：
1、单值的Semaphore管理的信号量只有1个，该信号量只能被一个线程所获得，意味着并发的代码只能被一个线程运行，这就相当于是一个互斥锁了，而且该锁是不可重入的。

2、多值的Semaphore管理的信号量多余1个，主要用于控制并发数。

下面看一个并发控制器的示例：

package thread;import java.util.concurrent.Semaphore;/** * Created by louyuting on 17/1/11. */public class SemaphoreTest{    public static void main(String[] args) {        final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);        Runnable runnable = new Runnable(){            public void run()            {                try {                    semaphore.acquire();                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了信号量,时间为" + System.currentTimeMillis());                    Thread.sleep(2000);                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了信号量,时间为" + System.currentTimeMillis());                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                } finally {                    semaphore.release();                }            }        };        Thread[] threads = new Thread[10];        for (int i = 0; i < threads.length; i++)            threads[i] = new Thread(runnable);        for (int i = 0; i < threads.length; i++)            threads[i].start();    }}

看一下运行结果：

从结果来看：最开始只能是有5个线程0 1 2 3 4获得了信号量资源，但是这之后就没有线程可以获得了，直到有这5个线程中的某些线程释放了，后面的5 6 7 8 9才可以继续获得线程，也就是保证了最多只有5个线程别执行。这就体现出了Semaphore的作用了。

这种通过Semaphore控制并发并发数的方式和通过控制线程数来控制并发数的方式相比，粒度更小，因为Semaphore可以通过acquire方法和release方法来控制代码块的并发数。

最后注意两点：
1、Semaphore可以指定公平锁还是非公平锁

2、acquire方法和release方法是可以有参数的，表示获取/返还的信号量个数

4. CyclicBarrier 类

一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到都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与CountDownLatch都是关于线程计数器的，他们的重要区别之一就是CountDownLatch是单次使用的，任务执行完成之后结束了。而CyclicBarrier是循环使用的

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。

下面是一个示例：赛跑时，等待所有人都准备好时，才起跑.

package thread;import java.io.IOException;import java.util.Random;import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;import java.util.concurrent.CyclicBarrier;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;/** * Created by louyuting on 17/1/11. */public class CyclicBarrierTest {    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {        //如果将参数改为4，但是下面只加入了3个选手，这永远等待下去        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println("提示:所有线程都已经到达.可以执行下一步了.");            }        });        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);        executor.submit(new Thread(new Runner(barrier, "1号选手")));        executor.submit(new Thread(new Runner(barrier, "2号选手")));        executor.submit(new Thread(new Runner(barrier, "3号选手")));        executor.shutdown();    }    static class Runner implements Runnable {        // 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)        private CyclicBarrier barrier;        private String name;        public Runner(CyclicBarrier barrier, String name) {            super();            this.barrier = barrier;            this.name = name;        }        @Override        public void run() {            try {                Thread.sleep(1000 * (new Random()).nextInt(8));                System.out.println(name + " 准备好了...");                // barrier的await方法，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。                barrier.await();            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            } catch (BrokenBarrierException e) {                e.printStackTrace();            }            System.out.println(name + " 起跑！");        }    }}

运行结果：

从上面的例子中我们可以看出以下几点：
1、CyclicBarrier初始化时规定一个数目，然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。当线程数达到了这个数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。

2、 CyclicBarrier就象它名字的意思一样，可看成是个障碍， 所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。

3、 CyclicBarrier初始时还可以带一个Runnable的参数， 此Runnable任务在CyclicBarrier指定的初始化的数目达到后，所有其它线程被唤醒前被执行。

代码的Github地址：