Java并发之同步工具类
来源:互联网 发布:备份与恢复软件 编辑:程序博客网 时间:2024/06/06 01:58
同步工具类
- 同步工具类可以是任何一个对象,只要他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,其他类型的同步工具类有: 信号量(semaphore),栅栏(Barrier),闭锁(Latch).
- 所有的同步工具类都有一些特定的结构化属性,封装了一些状态,这些状态决定执行同步工具类的线程是继续还是等待.
闭锁(CountDownLatch)
CountDownLatch 方法解析
CountDownLatch可以使一个或者多个线程等待一组事件的发生.闭锁状态包括一个计数器,该计数器初始化为一个正数,表示需要等待的事件数量.countDown()表示递减计数器,表示有个一个事件发生,而await()等待计数器达到零,这表示所有等待的事件都已经发生.如果计数器值非0,那么await()则会阻塞直到计数器为0,或者线程中断,或者等待超时.
public CountDownLatch(int count)
用一个给定的数值初始化CountDownLatch,之后计数器就从这个值开始倒计数,直到计数值达到零。
public void countDown()
这个函数用来将CountDownLatch的计数值减一
public void await() throws InterruptedException
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
这两个函数的作用都是让线程阻塞等待其他线程,直到CountDownLatch的计数值变为0才继续执行之后的操作。区别在于第一个函数没有等待时间限制,第二个函数给定一个等待超时时间,超过该时间就直接放弃了,并且第二个函数具有返回值,超时时间之内CountDownLatch的值达到0就返回true,等待时间结束计数值都还没达到0就返回false。这两个操作在等待过程中如果等待的线程被中断,则会抛出InterruptedException异常。
测试例子
创建一定数量的线程,利用他们并发执行指定的任务,计算出总共花了多少时间.
public class TestHarness { public long timeTasks(int nThreads, final Runnable task) throws InterruptedException { final CountDownLatch startGate = new CountDownLatch(1); final CountDownLatch endGate = new CountDownLatch(nThreads); for (int i = 0; i < nThreads; i++) { Thread t = new Thread() { public void run() { try { startGate.await(); //等待直到所有线程准备就绪,实现真正的并发执行任务 try { task.run(); } finally { endGate.countDown();//任务执行完毕,计数器减1; } } catch (InterruptedException ignored) { } } }; t.start(); } long start = System.nanoTime(); startGate.countDown(); //到此处,说明所有线程准备就绪,可以开始执行任务 endGate.await();// 阻塞等待所有线程执行完毕. long end = System.nanoTime(); return end - start; } }
栅栏(Barrier)
栅栏类似闭锁,能阻塞一组线程直到某个事件发生.栅栏与闭锁的区别关键在于:闭锁用于等待事件,而栅栏用于等待其他线程.
CyclicBarrier可以使得一定数量的参与反复在栅栏位置汇聚,在并行迭代算法中非常有用:将一个问题拆分成一系列相互独立的子问题.当线程达到栅栏位置时调用await()阻塞直到所有线程到达栅栏位置,如果所有线程到达,栅栏打开,线程唤醒,而栅栏被重置下次使用.如果await()调用超时,或者阻塞的线程被中断,那么栅栏就算是被打破,所有await()调用会抛出BrokenBrrierException.
CyclicBarrier还可以在构造函数中传入一个Runnable,当成功通过栅栏时会(在一个子线程中)执行他,但是阻塞线程被释放之前是不能执行的.
构造函数
循环栅栏函数解析
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
public CyclicBarrier(int parties)
参数parties表示一共有多少线程参与这次“活动”,参数barrierAction是可选的,用来指定当所有线程都完成这些必须的“神秘任务”之后需要干的事情,所以barrierAction这里的动作在一个相互等待的循环内只会执行一次。
blic int getParties()
用来获取当前的CyclicBarrier一共有多少线程参数与.
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException
public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException
await函数用来执行等待操作,一个函数是一个无参函数,第二个函数可以指定等待的超时时间。它们的作用是:一直等待知道所有参与“活动”的线程都调用过await函数,如果当前线程不是即将调用await函数的的最后一个线程,当前线程将会被挂起,直到下列某一种情况发生:
- 最后一个线程调用了await函数;
- 某个线程打断了当前线程;
- 某个线程打断了其他某个正在等待的线程;
- 其他某个线程等待时间超过给定的超时时间;
- 其他某个线程调用了reset函数。
如果等待过程中线程被打断了,则会抛出InterruptedException异常;
如果等待过程中出现下列情况中的某一种情况,则会抛出BrokenBarrierException异常:- 其他线程被打断了;
- 当前线程等待超时了;
- 当前CyclicBarrier被reset了;
- 等待过程中CyclicBarrier损坏了;
- 构造函数中指定的barrierAction在执行过程中发生了异常。
如果等待时间超过给定的最大等待时间,则会抛出TimeoutException异常,并且这个时候其他已经嗲用过await函数的线程将会继续后续的动作。
返回值:返回当前线程在调用过await函数的所以线程中的编号,编号为parties-1的表示第一个调用await函数,编号为0表示是最后一个调用await函数。
public boolean isBroken()
用来判断barrier是否已经损坏,如果因为任何原因被损坏返回true,否则返回false。
public void reset()
这个函数用来重置barrier,如果调用了该函数,则在等待的线程将会抛出BrokenBarrierException异常。
public int getNumberWaiting()
该函数用来获取当前正在等待该barrier的线程数
实例展示:
public class CellularAutomata { private final Board mainBoard; private final CyclicBarrier barrier; private final Worker[] workers; public CellularAutomata(Board board) { this.mainBoard = board; int count = Runtime.getRuntime().availableProcessors(); this.barrier = new CyclicBarrier(count, new Runnable() { public void run() { mainBoard.commitNewValues();//栅栏打开,计算值 }}); this.workers = new Worker[count]; for (int i = 0; i < count; i++) workers[i] = new Worker(mainBoard.getSubBoard(count, i)); } private class Worker implements Runnable { private final Board board; public Worker(Board board) { this.board = board; } public void run() { while (!board.hasConverged()) { for (int x = 0; x < board.getMaxX(); x++) for (int y = 0; y < board.getMaxY(); y++) board.setNewValue(x, y, computeValue(x, y)); try { barrier.await();//线程计算完毕等待其他线程 } catch (InterruptedException ex) { return; } catch (BrokenBarrierException ex) { return; } } } private int computeValue(int x, int y) { // Compute the new value that goes in (x,y) return 0; } } public void start() { for (int i = 0; i < workers.length; i++) new Thread(workers[i]).start(); mainBoard.waitForConvergence(); } interface Board { int getMaxX(); int getMaxY(); int getValue(int x, int y); int setNewValue(int x, int y, int value); void commitNewValues(); boolean hasConverged(); void waitForConvergence(); Board getSubBoard(int numPartitions, int index); } }
信号量(Semaphore)
计数信号量(Counting Semaphore)用来控制同时访问某个特定资源的操作数量,或者执行某个指定操作的数量.还可以用来实现某种连接池,或者对容器加边界.
Semaphore管理着一组虚拟的许可(permit),许可的初始数量可通过构造函数指定,在执行操作时先要获得许可,并在使用后释放许可.如果没有许可,accquire将阻塞到有许可为止(或者被中断,或者操作超时),release()将返回一个许可信号量.
Semaphore类只是一个资源数量的抽象表示,并不负责管理资源对象本身,可能有多个线程同时获取到资源使用许可,因此需要使用同步机制避免数据竞争.
Semaphore函数解析
public Semaphore(int permits)
public Semaphore(int permits, boolean fair)
其中permits参数表示初始的可用资源数量,fair参数表示是否使用公平策略选择正在等候的使用者,fair为true表示公平策略,采用先来先用的算法,为false表示非公平策略,完全随机,默认使用非公平策略。
public void acquire() throws InterruptedException
public void acquire(int permits) throws InterruptedException
acquire函数用来申请资源,第一个函数用来申请一个资源,第二个函数用来申请permits个资源,当没有需要申请的数量这么多个资源时,申请线程会被阻塞,直到有可用资源或者申请线程被打断,如果申请线程被打断,则抛出InterruptedException异常。
public void acquireUninterruptibly()
public void acquireUninterruptibly(int permits)
该函数用来申请可用资源,并且不会被打断,第一个函数用来申请一个资源,第二个函数用来申请permits个资源。就算线程在申请资源过程中被打断,依然会继续申请,只不过获取资源的时间可能会有所变化。
public boolean tryAcquire()
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException
public boolean tryAcquire(int permits)
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException
tryAcquire函数用来获取可用资源,但是这类函数能够有时间的限制,如果超时,立即返回,
第一个函数用来申请一个资源,如果当前有可用资源,立即返回true,否则立即返回false;
第二个函数用来申请一个资源,指定一个超时时间,如果当前可以资源数量足够,立即返回true,否则最多等待给定的时间,如果时间到还是未能获取资源,则返回false;如果等待过程中线程被打断,抛出InterruptedException异常;
和1一样,只是申请permits个资源;
和2一样,只是申请permits个资源。public void release()
public void release(int permits)
第一个函数释放一个资源,第二个函数释放permits个资源。
public int availablePermits()
availablePermits函数用来获取当前可用的资源数量
public int drainPermits()
drainPermits函数用来申请当前所有
可用的资源,protected void reducePermits(int reduction)
用来禁止某些资源不可用
reduction表示禁止的数量,比如由于厕所马桶坏了,有一个坑位不能用,此时就可以调用该函数禁止一个资源不可用。如果reduction小于零,则抛出IllegalArgumentException异常。public boolean isFair()
函数返回true表示采用的是公平策略,返回false表示采用非公平策略。
public final boolean hasQueuedThreads()
用来判断是否有现成正在等待申请资源,返回true表示有现成正在等待申请资源,false表示没有,需要注意的是:因为申请过程是可以取消的,函数返回true并不表示肯定会申请资源,该函数设计的初衷是用来做系统监控的。
public final int getQueueLength()
返回当前正在等待申请资源的线程数。
protected Collection<Thread> getQueuedThreads()
返回当前正在等待申请资源的线程集合
多线程同时操作特定资源例子
public class SemaphoreDemo { private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); private final Semaphore semaphore; private final LinkedList<Object> resourceList = new LinkedList<Object>(); private static CountDownLatch mCountDownLatch = new CountDownLatch(9); public SemaphoreDemo(Collection<Object> resourceList) { this.resourceList.addAll(resourceList); //公平模式 this.semaphore = new Semaphore(resourceList.size(), true); } public Object acquire() throws InterruptedException { semaphore.acquire(); lock.lock(); try { return resourceList.pollFirst(); } finally { lock.unlock(); } } public void release(Object resource) { lock.lock(); try { resourceList.addLast(resource); } finally { lock.unlock(); } semaphore.release(); } public static void main(String[] args) { //准备2个可用资源 List<Object> resourceList = new ArrayList<>(); resourceList.add("Resource1"); resourceList.add("Resource2"); //准备工作任务 final SemaphoreDemo demo = new SemaphoreDemo(resourceList); Runnable worker = new Runnable() { @Override public void run() { Object resource = null; try { //获取资源 resource = demo.acquire(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\twork on\t" + resource); //用resource做工作 Thread.sleep(1000); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\tfinish on\t" + resource); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { //归还资源 if (resource != null) { demo.release(resource); mCountDownLatch.countDown(); } } } }; //启动9个任务 ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool(); for (int i = 0; i < 9; i++) { service.submit(worker); } try { mCountDownLatch.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } service.shutdown(); } }
将任何一种容器变成有界阻塞容器
public class BoundedHashSet <T> { private final Set<T> set; private final Semaphore sem; public BoundedHashSet(int bound) { this.set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<T>()); sem = new Semaphore(bound); } public boolean add(T o) throws InterruptedException { sem.acquire(); boolean wasAdded = false; try { wasAdded = set.add(o); return wasAdded; } finally { if (!wasAdded) sem.release(); } } public boolean remove(Object o) { boolean wasRemoved = set.remove(o); if (wasRemoved) sem.release(); return wasRemoved; } }
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