Java 多线程辅助类

本文最后更新于：2024年3月18日 凌晨

Java 多线程辅助类

CountdownLatch

  • CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能，比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。
  • CountDownLatch类只提供了一个构造器：
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public CountDownLatch(int count) { }; // 参数count为计数值。
  • CountDownLatch类中最重要的方法：
    • public void await() throws InterruptedException { };：调用await(）方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行。
    • public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; ：和await(）类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行。
    • public void countDown() { };：将count值减1
  • 这里需要注意的是，countDown()方法并没有规定一个线程只能调用一次，当同一个线程调用多次countDown()方法时，每次都会使计数器减一，另外，await()方法也并没有规定只能有一个线程执行该方法，如果多个线程同时执行await()方法，那么这几个线程都将处于等待状态，并且以共享模式享有同一个锁。
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public class Test {
     public static void main(String[] args) {
         final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

         new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                     System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕");
                    latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();

         new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                     System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
                     Thread.sleep(3000);
                     System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕");
                     latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();

         try {
             System.out.println("等待2个子线程执行完毕...");
            latch.await();
            System.out.println("2个子线程已经执行完毕");
            System.out.println("继续执行主线程");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
     }
}
  • 从输出结果可以看出，主线程先启动了五个线程，然后主线程进入等待状态，当这两个线程都执行完任务之后主线程才结束了等待，上述代码中需要注意的是，在执行任务的线程中，使用了try…finally结构，该结构可以保证创建的线程发生异常时CountDownLatch.countDown()方法也会执行，也就保证了主线程不会一直处于等待状态。
  • CountDownLatch非常适合于对任务进行拆分，使其并行执行，比如某个任务执行2s，其对数据的请求可以分为五个部分，那么就可以将这个任务拆分为5个子任务，分别交由五个线程执行，执行完成之后再由主线程进行汇总，此时，总的执行时间将决定于执行最慢的任务，平均来看，还是大大减少了总的执行时间。

CyclicBarrier

  • 字面意思回环栅栏，通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行，叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用，我们暂且把这个状态就叫做barrier，当调用await()方法之后，线程就处于barrier了。
  • CyclicBarrier类位于java.util.concurrent包下，CyclicBarrier提供2个构造器：
    • public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {}
    • public CyclicBarrier(int parties) {}
    • 参数parties指让多少个线程或者任务等待至barrier状态，参数barrierAction为当这些线程都达到barrier状态时会执行的内容。
  • CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法，它有2个重载版本：
  • public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };：用来挂起当前线程，直至所有线程都到达barrier状态再同时执行后续任务。
  • public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { };：让这些线程等待至一定的时间，如果还有线程没有到达barrier状态就直接让到达barrier的线程执行后续任务。
  • 假若有若干个线程都要进行写数据操作，并且只有所有线程都完成写数据操作之后，这些线程才能继续做后面的事情，此时就可以利用CyclicBarrier了：
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public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Writer(barrier).start();
    }
    static class Writer extends Thread {
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      // 以睡眠来模拟写入数据操作。
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
        }
    }
}
  • 每个写入线程执行完写数据操作之后，就在等待其他线程写入操作完毕，当所有线程线程写入操作完毕之后，所有线程就继续进行后续的操作了。
  • 如果说想在所有线程写入操作完之后，进行额外的其他操作可以为CyclicBarrier提供Runnable参数：
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public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N,new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName());
            }
        });

        for(int i=0;i<N;i++)
            new Writer(barrier).start();
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      // 以睡眠来模拟写入数据操作。
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
        }
    }
}
  • 当四个线程都到达barrier状态后，会从四个线程中选择一个线程去执行Runnable
  • 下面看一下为await指定时间的效果：
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public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);

        for(int i=0;i<N;i++) {
            if(i<N-1)
                new Writer(barrier).start();
            else {
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                new Writer(barrier).start();
            }
        }
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      // 以睡眠来模拟写入数据操作。
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
                try {
                    cyclicBarrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
                } catch (TimeoutException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
        }
    }
}
  • 上面的代码在main方法的for循环中，故意让最后一个线程启动延迟，因为在前面三个线程都达到barrier之后，等待了指定的时间发现第四个线程还没有达到barrier，就抛出异常并继续执行后面的任务。
  • 另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面这个例子：
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public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);
        for(int i=0;i<N;i++) {
            new Writer(barrier).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(25000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("CyclicBarrier重用");
        for(int i=0;i<N;i++) {
            new Writer(barrier).start();
        }
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      // 以睡眠来模拟写入数据操作。
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
        }
    }
}
  • 在初次的4个线程越过barrier状态后，又可以用来进行新一轮的使用，而CountDownLatch无法进行重复使用。

Semaphore

  • Semaphore翻译成字面意思为信号量，Semaphore可以控同时访问的线程个数，通过 acquire(）获取一个许可，如果没有就等待，而 release(）释放一个许可。
  • Semaphore其实和锁有点类似，它一般用于控制对某组资源的访问权限。
  • Semaphore类位于java.util.concurrent包下，它提供了2个构造器：
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public Semaphore(int permits) {     // 参数permits表示许可数目，即同时可以允许多少线程进行访问。
    sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {  // 这个多了一个参数fair表示是否是公平的，即等待时间越久的越先获取许可。
    sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
  • 下面说一下Semaphore类中比较重要的几个方法，首先是acquire(),release(）方法：
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public void acquire() throws InterruptedException {  }     // 获取一个许可。
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { }    // 获取permits个许可。
public void release() { }          // 释放一个许可。
public void release(int permits) { }    // 释放permits个许可。
  • acquire()用来获取一个许可，若无许可能够获得，则会一直等待，直到获得许可。
  • release()用来释放许可，注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。
  • 这4个方法都会被阻塞，如果想立即得到执行结果，可以使用下面几个方法：
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public boolean tryAcquire() { };    // 尝试获取一个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  // 尝试获取一个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; // 尝试获取permits个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; // 尝试获取permits个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false
  • 另外还可以通过availablePermits(）方法得到可用的许可数目。
  • 下面通过一个例子来看一下Semaphore的具体使用：
  • 假若一个工厂有5台机器，但是有8个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用，那么我们就可以通过Semaphore来实现：
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public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 8;            // 工人数。
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); // 机器数目。
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Worker(i,semaphore).start();
    }

    static class Worker extends Thread{
        private int num;
        private Semaphore semaphore;
        public Worker(int num,Semaphore semaphore){
            this.num = num;
            this.semaphore = semaphore;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人"+this.num+"占用一个机器在生产...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("工人"+this.num+"释放出机器");
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
Software Language Java JavaSE 多线程

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