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  • java架构之路(多线程)JUC并发编程之Semaphore信号量、CountDownLatch、CyclicBarrier栅栏、Executors线程池

    上期回顾:

      上次博客我们主要说了我们juc并发包下面的ReetrantLock的一些简单使用和底层的原理,是如何实现公平锁、非公平锁的。内部的双向链表到底是什么意思,prev和next到底是什么,为什么要引入heap和tail来值向null的Node节点。高并发时候是如何保证state来记录重入锁的,在我们的上次博客都做了详细的说明。这次我们来聊一些简单易懂且实用的AQS中的工具类。

    Semaphore信号量:

      这个东西很简单,别看字面意思,什么信号量,我也不懂得那个术语什么意思,Semaphore你可以这样来理解,我们要去看电影,而且是3D电影(必须戴3D眼镜才可以进入),但是比较不巧的是我们电影院只有两个3D眼镜了,也就是说,我们每次只能进去两个人看电影,然后等待这两个人看完电影以后把眼镜还回来,后面的两个人才能继续观看,就是说每次只允许最多进去两个人,每次进入到线程获取锁,需要你得到前置的票据,才可以进行后续的流程。可以理解为一个简单的限流吧。我们来一下代码示例。

    public class Test {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                new Thread(new Task(semaphore,"xiaocaijishu"+i)).start();
            }
        }
    
        static class Task extends Thread{
            Semaphore semaphore;
    
            public Task(Semaphore semaphore,String tname){
                this.semaphore = semaphore;
                this.setName(tname);
            }
    
            public void run() {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿着3D眼镜进去了,时间是"+System.currentTimeMillis());
    
                    Thread.sleep(1000);
    
                    semaphore.release();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出来了,将3D眼镜还给了服务人员,时间是"+System.currentTimeMillis());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
    
            }
        }
    }

    运行结果就是这样的

      我们来解释一下运行结果,线程1和线程3同一时间去看电影了,然后1出来了,这时线程9马上拿着我们的3D眼镜进去了,过了一会线程3也看完电影了,出来了还了3D眼镜,线程7又在同一时间拿着3D眼镜进去看电影了,后续线程都是如此执行的,每次只是进入两个线程。

      简单的使用看到了,我们来看看底层的源码设计吧。开始的时候我们是创建一个Semaphore内部票据数目给予的是2。

    //1.创建初始票据是2的Semaphore 
    Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
    //2.进入Semaphore,查看数据2是如何存储的.
    public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
    //3.底层还是基于sync 创建了一个对象,但不同于过去ReetrantLock的是,这次是一个非公平的锁对象,我们再次进入NonfairSync看看那个数字2到底放在哪里了.
    Sync(int permits) {
        setState(permits);
    }
    //4.我们可以看到底层还是用State来存储的.

      这次没有把所有代码全部粘出来,感觉那样像是凑篇幅一样。

      通过上述代码,我们可以看到,我们的初始票据数,是上一次那个state来存的。

      后续我们调用了acquire方法来尝试获取票据,acquire方法也可以传入获取票据数目的比如semaphore.acquire(2);也是可以的。我们进入acquire方法来看看到底是如何获取的。

    //从new Semaphore(2);点击进入后续方法
    public void acquire() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    //我们可以看到,当我们没有传需要获取多少票据的时候,会默认给予1这个参数,我们来继续看后续流程
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
    //Thread.interrupted()判断当前线程是否已经中断,如果中断我直接抛出异常,电影都演完了,我拿3D眼镜还有毛线用.
    //tryAcquireShared(arg)尝试获取票据,arg是1,刚才给予的默认1
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }
    //内部有实现关系,所以调用的是Semaphore类nonfairTryAcquireShared方法,我们来解读一下
    //直接就是一个死循环, int available = getState();获取一下当前还有多少票据
    // int remaining = available - acquires;计算出当前票据减去所需票据的一个剩余值
    //if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))我们现有2个票据,拿走1个,剩余1个,所以remaining < 0 一定是false的
    //再来看另一半compareAndSetState,用原子计算(上次博客说过为什么要原子计算)方式来修改剩余票据,这个是可以修改成功的.所以满足条件可以返回一个2-1  也就是返回一个正数1

      是不是有点看懵圈了,很多小伙伴感觉if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))前面的remaining<0,这个或判断貌似没用啊,来张图解释一下。

       有没有感觉好点了,自己可以跟着源代码走一走,获取的过程就差一个doAcquireSharedInterruptibly还没有看了,如果获取超过了票据数,也就是不应该让返回负数时运行doAcquireSharedInterruptibly方法,我们来看一下。

    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//以共享方式添加节点
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();//判断前驱节点是否为空
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg);//再次尝试获取票据
                    if (r >= 0) {//>= 0表示获取票据成功
                        setHeadAndPropagate(node, r);//更改头节点
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //剔除不可用的Node节点
                        parkAndCheckInterrupt()) //阻塞当前线程
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

      经过两次以上的尝试,我们将该线程阻塞了,不至于一直for循环在运行,也就这样,票据发放完毕了。

      过程差不多就是这样的,我们可以再仔细看一下是如何添加节点的,上次ReetrantLock说了一些,我们这次再来看一下。我们现已第一次塞节点为例,

    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {//第一次一定是空的,我们现在已初始塞节点为例。
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);//为空直接进入这个逻辑
        return node;
    }
    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize //1.第一次一定是空 //二次循环不为空 进入else
                if (compareAndSetHead(new Node()))//2.创建一个空节点,并且作为head节点.
                    tail = head;//3.tail指向那个head节点
            } else {
                node.prev = t;//4. 将node节点的前驱指针指向
                if (compareAndSetTail(t, node)) {//5.原子计算方式将node节点后驱节点指向tail
                    t.next = node;//6.将t节点(空节点)的后驱指针指向node节点
                    return t;
                }
            }
        }
    }

       第一次循环只是一个内部的初始空节点,第二次循环才是移动指针塞入的过程。

       节点唤醒是在释放票据时被唤醒的,代码超级简单,可以自己当做一份作业,自己去看一遍代码吧~!提示流程就是先还票据,然后唤醒。Semaphore差不多就这些知识点,我也带着大家简单的看了一遍源码。我们再来继续看一下后面AQS的一些工具类。

    CountDownLaunch的基本使用

      CountDownLaunch很好理解,也是比较实用的,我们干王者农药的时候就是一个很好的栗子,游戏选完人物大家一起加载地图等游戏资料,有的人慢,有的人快,这时就印出来了CountDownLaunch,相当于我们5个玩家同时开启5个线程,然后一起执行,执行完毕先等着,直到5个玩家全部执行完成时,才可以运行后续操作。我们来看一下代码。

    public class CountDownLaunchSample {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
            new Thread(new playerOne(countDownLatch)).start();
            new Thread(new playerTwo(countDownLatch)).start();
            countDownLatch.await();
            System.out.println("全部加载完成");
        }
    
        static class playerOne implements Runnable {
            CountDownLatch countDownLatch;
    
            public playerOne(CountDownLatch countDownLatch) {
                this.countDownLatch = countDownLatch;
            }
    
            public void run() {
                try {
                    System.out.println("玩家1开始加载...");
                    Thread.sleep(2000);
                    System.out.println("玩家1加载完成");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    if (countDownLatch != null)
                        countDownLatch.countDown();
                }
            }
    
        }
    
    
        static class playerTwo implements Runnable {
            CountDownLatch countDownLatch;
    
            public playerTwo(CountDownLatch countDownLatch) {
                this.countDownLatch = countDownLatch;
            }
    
            public void run() {
                try {
                    System.out.println("玩家2开始加载...");
                    Thread.sleep(10000);
                    System.out.println("玩家2加载完成");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    if (countDownLatch != null)
                        countDownLatch.countDown();
                }
            }
    
        }
    }

       实际项目中如果遇到读取excel多个sheet页签然后汇总数据的情况也可以采用CountDownLanch。注意最后final的countDownLatch.countDown()方法,也是一个类似上面票据增减的方法。

    CyclicBarrier栅栏的简单使用:

      CyclicBarrier和我们上面的CountDownLanch差不多,都是开启多个任务一起去执行,不同的是CountDownLanch需要支线任务执行完成然后CountDownLanch做一个汇总,然后继续运行后续程序。CyclicBarrier不需要做汇总。再就是CyclicBarrier是可以重复的。

    public class CyclicBarrierTest implements Runnable {
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        private int index ;
    
        public CyclicBarrierTest(CyclicBarrier cyclicBarrier, int index) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
            this.index = index;
        }
    
        public void run() {
            try {
                System.out.println("index: " + index);
                index--;
                cyclicBarrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(11, new Runnable() {
                public void run() {
                    System.out.println("所有特工到达屏障,准备开始执行秘密任务");
                }
            });
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                new Thread(new CyclicBarrierTest(cyclicBarrier, i)).start();
            }
            cyclicBarrier.await();
            System.out.println("全部到达屏障....");
        }
    
    }

      这个需要注意的是CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(11, 这个11,就是说一定有11个线程执行完毕,我才可以执行后面的操作,我们下面for循环是10,而我们那里写的是11啊,别忘记还有一个主线程呢,所以说每次计算一定加一个主线程啊。

    Exchanger的简单使用

      最后就是我们Exchanger,平时使用的不多,我们了解一下就可以了,搂一眼代码,就是线程之间的变量交换。

    public static void main(String []args) {
        final Exchanger<Integer> exchanger = new Exchanger<Integer>();
        for(int i = 0 ; i < 4 ; i++) {
            final Integer num = i;
            new Thread() {
                public void run() {
                    System.out.println("我是线程:Thread_" + this.getName() + "我的数据是:" + num);
                    try {
                        Integer exchangeNum = exchanger.exchange(num);
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println("我是线程:Thread_" + this.getName() + "我原先的数据为:" + num + " , 交换后的数据为:" + exchangeNum);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }.start();
        }
    }

    总结:

      这次我们核心梳理了我们的Semaphore的执行流程,内部是如何来实现我们的票据计数,获取,归还等操作的,再就是我们for无限循环会在两次以后自动阻塞的设计思想,还有我们的CountDownLanch、CyclicBarrier、Executors的基本使用,并赋予大家简单的代码流程,今天就说到这,明天我们继续来说我们的多线程。

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