线程的三个同步器

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不知不觉就遇到了线程同步器问题，查了资料写下了总结

1. CountDownLatch

日常中会有开启多个线程去并发执行任务，而主线程要等所有子线程执行完之后才能运行的需求。之前我们是使用Thread.join方法来实现的，过程如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    Thread t1 = new Thread( () -> {
        try {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("t1 over");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });

    Thread t2 = new Thread( () -> {
        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("t2 over");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });

    t1.start();
    t2.start();
    
    t1.join();
    t2.join();

    System.out.println("mian over");
}

t1 over
t2 over
mian over

join()方法不够灵活，现在JDK提供了CountDownLatch这个类来实现所需功能

private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    ExecutorService t = Executors.newCachedThreadPool();

    Runnable r1 = () -> {
        try {
            System.out.println("r1 sleep");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            countDownLatch.countDown();
        }
    };

    Runnable r2 = () -> {
        try {
            System.out.println("r2 sleep");
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            countDownLatch.countDown();
        }
    };

    t.submit(r1);
    t.submit(r2);

    System.out.println("main wait");
    countDownLatch.await();
    System.out.println("main over");
}

main wait
r1 sleep
r2 sleep
main over

CountDownLatch流程：

• 新建CountDownLatch实例，传入计数器次数
• 主线程调用CountDownLatch.await()方法后会被阻塞
• 子线程中在某处调用CountDownLatch.countDown()方法可使内部计数器减1
• 当计数器变成0时，主线程的await()方法才会返回

CountDownLatch优点：

• 调用Thread.join()调用线程会被阻塞至子线程运行完毕，而CountDownLatch.countDown()可在线程运行中执行
• 使用线程池时是提交任务的，而没有接触到线程无法使用线程方法，那么countDown()可加在Runnable中执行

CountDownLatch原理：

内部维护了一个计数器，当计数器为0就放行，源码就不放了，熟悉AQS的同学想想就知道怎么回事

• 继承了AQS，其实就是用AQS的state来表示计数器
• await()方法内部有acquireSharedInterruptibly()，后者调用了重写tryaquireShared()其实就是判断计数器是否为0，不为0则阻塞进AQS队列
• countDown()方法内部有releaseShared()，后者调用了重写tryReleaseShared()计数器减一，若为0，则唤醒阻塞线程

2. CyclicBarrier

满足多个线程都到达同一个位置后才全部开始运行的需求。CountDownLatch是一次性使用的，计数器为0后再次调用会直接返回，此时升级版的CyclicBarrier来了，其一可以满足计数器重置功能，且二还可以让一组线程达到一个状态后再全部同时执行

场景要求：假设一个任务分为3个阶段，每个线程要串行地从低阶段执行到高阶段

private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(2, 
                        () -> System.out.println("一个阶段完成"));

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

    Runnable r1 = () -> {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "Step1");
            cyclicBarrier.await();

            System.out.println(Thread.currentThread() + "Step2");
            cyclicBarrier.await();

            System.out.println(Thread.currentThread() + "Step3");

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    };

    Runnable r2 = () -> {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "Step1");
            cyclicBarrier.await();

            System.out.println(Thread.currentThread() + "Step2");
            cyclicBarrier.await();

            System.out.println(Thread.currentThread() + "Step3");

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    };

    service.submit(r1);
    service.submit(r2);

    service.shutdown();
}

Thread[pool-1-thread-1,5,main]Step1
Thread[pool-1-thread-2,5,main]Step1
一个阶段完成
Thread[pool-1-thread-1,5,main]Step2
Thread[pool-1-thread-2,5,main]Step2
一个阶段完成
Thread[pool-1-thread-1,5,main]Step3
Thread[pool-1-thread-2,5,main]Step3

CyclicBarrier的流程

• 和上面差不多就不一一解释了
• CyclicBarrier的构造方法中，第一个参数为计数器次数，第二个为阶段结束后要执行的方法

CyclicBarrier的原理

• 基于独占锁，底层是AQS实现，独占锁可以原子性改变计数器，以及条件队列阻塞线程来实现线程同步
• 内部有parties和count变量，实现重置功能
• await()方法内调用dowait()方法
  • 获取锁更新次数减一
  • 没有为0，阻塞当前线程加入条件队列
  • 为0执行屏蔽点任务，然后唤醒条件队列的全部线程

3. Semaphore

不同与前两者，Semaphore信号量内部计数器是递增的，在需要同步的地方调用acquire指定需要同步的个数即可

private static Semaphore semaphore = new Semaphore(0);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

    Runnable r1 = () -> {
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread() + "over");
        semaphore.release();;
    };

    Runnable r2 = () -> {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread() + "over");
        semaphore.release();
    };

    service.submit(r1);
    service.submit(r2);

    semaphore.acquire(2);
    System.out.println("All child thread over");

    service.shutdown();
}

Semaphore的流程

• Semaphore的构造函数传参复制当前计数器的值
• 每个线程内部调用release()即计数器加1
• 主线程调用acquire()方法传参为2 ，会被阻塞至计数器到达2

Semaphore的原理

• 底层还是使用AQS，提供了公平与非公平，也是用state表示次数
• acquire()方法获取一个信号量，并且state减一
  • 若为0，直接返回
  • 不为0当前线程会被加入AQS阻塞队列
• release()方法，把当前Semaphore的信号量加1，然后会选择一个信号量满足的线程进行激活
• 内部还实现了公平与非公平策略