盤點并發編程中幾個實用的線程同步技術

作者：志哥聊技術 2024-10-18 11:29:15

本文主要圍繞 Java 多線程中常見的并發工具類進行了簡單的用例介紹，這些工具類都可以實現線程同步的效果，底層原理實現主要是基于 AQS 隊列式同步器來實現，關于 AQS 我們會在后期的文章中再次介紹。

01、背景介紹

在前幾篇文章中，我們講到了線程池實現原理、阻塞隊列技術等核心組件，其實 JDK 給開發者還提供了比synchronized更加高級的線程同步組件，比如 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、Exchanger 等并發工具類。

下面我們一起來了解一下這些常用的并發工具類！

02、常用并發工具類

2.1、CountDownLatch

CountDownLatch是 JDK5 之后加入的一種并發流程控制工具類，它允許一個或多個線程一直等待，直到其他線程運行完成后再執行。

它的工作原理主要是通過一個計數器來實現，初始化的時候需要指定線程的數量；每當一個線程完成了自己的任務，計數器的值就相應得減 1；當計數器到達 0 時，表示所有的線程都已經執行完畢，處于等待的線程就可以恢復繼續執行任務。

根據CountDownLatch的工作原理，它的應用場景一般可以劃分為兩種：

場景一：某個線程需要在其他 n 個線程執行完畢后，再繼續執行

場景二：多個工作線程等待某個線程的命令，同時執行同一個任務

下面我們先來看下兩個簡單的示例。

示例1：某個線程等待 n 個工作線程

比如某項任務，先采用多線程去執行，最后需要在主線程中進行匯總處理，這個時候CountDownLatch就可以發揮作用了，具體應用如下！

public class CountDownLatchTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 采用 10 個工作線程去執行任務
        final int threadCount = 10;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 執行具體任務
                    System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + "，執行完畢！");
                    // 計數器減 1
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }

        // 阻塞等待 10 個工作線程執行完畢
        countDownLatch.await();
        System.out.println("所有任務線程已執行完畢，準備進行結果匯總");
    }
}

運行結果如下：

thread name:Thread-0，執行完畢！
thread name:Thread-2，執行完畢！
thread name:Thread-1，執行完畢！
thread name:Thread-3，執行完畢！
thread name:Thread-4，執行完畢！
thread name:Thread-5，執行完畢！
thread name:Thread-6，執行完畢！
thread name:Thread-7，執行完畢！
thread name:Thread-8，執行完畢！
thread name:Thread-9，執行完畢！
所有任務線程執行完畢，準備進行結果匯總

示例2：n 個工作線程等待某個線程

比如田徑賽跑，10 個同學準備開跑，但是需要等工作人員發出槍聲才允許開跑，使用CountDownLatch可以實現這一功能，具體應用如下！

public class CountDownLatchTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 使用一個計數器
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        final int threadCount = 10;
        // 采用 10 個工作線程去執行任務
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 阻塞等待計數器為 0
                        countDownLatch.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    // 發起某個服務請求，省略
                    System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + "，開始執行！");

                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + " 準備開始！");
        // 將計數器減 1，運行完成后為 0
        countDownLatch.countDown();
    }
}

運行結果如下：

thread name:main 準備開始！
thread name:Thread-0，開始執行！
thread name:Thread-1，開始執行！
thread name:Thread-2，開始執行！
thread name:Thread-3，開始執行！
thread name:Thread-5，開始執行！
thread name:Thread-6，開始執行！
thread name:Thread-8，開始執行！
thread name:Thread-7，開始執行！
thread name:Thread-4，開始執行！
thread name:Thread-9，開始執行！

從上面的示例可以很清晰的看到，CountDownLatch類似于一個倒計數器，當計數器為 0 的時候，調用await()方法的線程會被解除等待狀態，然后繼續執行。

CountDownLatch類的主要方法，有以下幾個：

public CountDownLatch(int count)：核心構造方法，初始化的時候需要指定線程數
countDown()：每調用一次，計數器值 -1，直到 count 被減為 0，表示所有線程全部執行完畢
await()：等待計數器變為 0，即等待所有異步線程執行完畢，否則一直阻塞
await(long timeout, TimeUnit unit)：支持指定時間內的等待，避免永久阻塞，await()的一個重載方法

從以上的分析可以得出，當計數器為 1 的時候，即由一個線程來通知其他線程，效果等同于對象的wait()和notifyAll()；當計時器大于 1 的時候，可以實現多個工作線程完成任務后通知一個或者多個等待線程繼續工作，CountDownLatch可以看成是一種進階版的等待/通知機制，在實際中應用比較多見。

2.2、CyclicBarrier

CyclicBarrier從字面上很容易理解，表示可循環使用的屏障，它真正的作用是讓一組線程到達一個屏障時被阻塞，直到滿足要求的線程數都到達屏障時，屏障才會解除，此時所有被屏障阻塞的線程就可以繼續執行。

下面我們還是先看一個簡單的示例，以便于更好的理解這個工具類。

public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 設定參與線程的個數為 5
        int threadCount = 5;
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(threadCount, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("所有的線程都已經準備就緒...");
            }
        });
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + "，已達到屏障！");
                    try {
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + "，阻塞解除，繼續執行！");
                }
            }).start();
        }
    }
}

輸出結果：

thread name:Thread-0，已達到屏障！
thread name:Thread-1，已達到屏障！
thread name:Thread-2，已達到屏障！
thread name:Thread-3，已達到屏障！
thread name:Thread-4，已達到屏障！
所有的線程都已經準備就緒...
thread name:Thread-4，阻塞解除，繼續執行！
thread name:Thread-0，阻塞解除，繼續執行！
thread name:Thread-3，阻塞解除，繼續執行！
thread name:Thread-1，阻塞解除，繼續執行！
thread name:Thread-2，阻塞解除，繼續執行！

從上面的示例可以很清晰的看到，CyclicBarrier中設定的線程數相當于一個屏障，當所有的線程數達到時，此時屏障就會解除，線程繼續執行剩下的邏輯。

CyclicBarrier類的主要方法，有以下幾個：

public CyclicBarrier(int parties)：構造方法，parties參數表示參與線程的個數
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)：核心構造方法，barrierAction參數表示線程到達屏障時的回調方法
public void await()：核心方法，每個線程調用await()方法告訴CyclicBarrier我已經到達了屏障，然后當前線程被阻塞，直到屏障解除，繼續執行剩下的邏輯

從以上的示例中，可以看到CyclicBarrier與CountDownLatch有很多的相似之處，都能夠實現線程之間的等待，但是它們的側重點不同：

CountDownLatch一般用于一個或多個線程，等待其他的線程執行完任務后再執行
CyclicBarrier一般用于一組線程等待至某個狀態，當狀態解除之后，這一組線程再繼續執行
CyclicBarrier中的計數器可以反復使用，而CountDownLatch用完之后只能重新初始化

2.3、Semaphore

Semaphore通常我們把它稱之為信號計數器，它可以保證同一時刻最多有 N 個線程能訪問某個資源，比如同一時刻最多允許 10 個用戶訪問某個服務，同一時刻最多創建 100 個數據庫連接等等。

Semaphore可以用于控制并發的線程數，實際應用場景非常的廣，比如流量控制、服務限流等等。

下面我們看一個簡單的示例。

public class SemaphoreTest {

    public static void main(String[] args) {
        SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

        // 同一時刻僅允許最多3個線程獲取許可
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        // 初始化 5 個線程生成
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 如果超過了許可數量,其他線程將在此等待
                        semaphore.acquire();
                        System.out.println(format.format(new Date()) +  " thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + " 獲取許可，開始執行任務");
                        // 假設執行某項任務的耗時
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        // 使用完后釋放許可
                        semaphore.release();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

輸出結果：

2023-11-22 17:32:01 thread name:Thread-0 獲取許可，開始執行任務
2023-11-22 17:32:01 thread name:Thread-1 獲取許可，開始執行任務
2023-11-22 17:32:01 thread name:Thread-2 獲取許可，開始執行任務
2023-11-22 17:32:03 thread name:Thread-4 獲取許可，開始執行任務
2023-11-22 17:32:03 thread name:Thread-3 獲取許可，開始執行任務

從上面的示例可以很清晰的看到，同一時刻前 3 個線程獲得了許可優先執行， 2 秒過后許可被釋放，剩下的 2 個線程獲取釋放的許可繼續執行。

Semaphore類的主要方法，有以下幾個：

public Semaphore(int permits)：構造方法，permits參數表示同一時間能訪問某個資源的線程數量
acquire()：獲取一個許可，在獲取到許可之前或者被其他線程調用中斷之前，線程將一直處于阻塞狀態
tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)：表示在指定時間內嘗試獲取一個許可，如果獲取成功，返回true；反之false
release()：釋放一個許可，同時喚醒一個獲取許可不成功的阻塞線程。

通過permits參數的設定，可以實現限制多個線程同時訪問服務的效果，當permits參數為 1 的時候，表示同一時刻只有一個線程能訪問服務，相當于一個互斥鎖，效果等同于synchronized。

使用Semaphore的時候，通常需要先調用acquire()或者tryAcquire()獲取許可，然后通過try ... finally模塊在finally中釋放許可。

例如如下方式，嘗試在 3 秒內獲取許可，如果沒有獲取就退出，防止程序一直阻塞。

// 嘗試 3 秒內獲取許可
if(semaphore.tryAcquire(3, TimeUnit.SECONDS)){
    try {
       // ...業務邏輯
    }  finally {
        // 釋放許可
        semaphore.release();
    }
}

2.4、Exchanger

Exchanger從字面上很容易理解表示交換，它主要用途在兩個線程之間進行數據交換，注意也只能在兩個線程之間進行數據交換。

Exchanger提供了一個exchange()同步交換方法，當兩個線程調用exchange()方法時，無論調用時間先后，會互相等待線程到達exchange()方法同步點，此時兩個線程進行交換數據，將本線程產出數據傳遞給對方。

簡單的示例如下。

public class ExchangerTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 交換同步器
        Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

        // 線程1
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    String value = "A";
                    System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + " 原數據：" + value);
                    String newValue = exchanger.exchange(value);
                    System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + " 交換后的數據：" + newValue);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 線程2
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    String value = "B";
                    System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + " 原數據：" + value);
                    String newValue = exchanger.exchange(value);
                    System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + " 交換后的數據：" + newValue);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

輸出結果：

thread name:Thread-0 原數據：A
thread name:Thread-1 原數據：B
thread name:Thread-0 交換后的數據：B
thread name:Thread-1 交換后的數據：A

從上面的示例可以很清晰的看到，當線程Thread-0和Thread-1都到達了exchange()方法的同步點時，進行了數據交換。

Exchanger類的主要方法，有以下幾個：

exchange(V x)：等待另一個線程到達此交換點，然后將給定的對象傳送給該線程，并接收該線程的對象，除非當前線程被中斷，否則一直阻塞等待
exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)：表示在指定的時間內等待另一個線程到達此交換點，如果超時會自動退出并拋超時異常

如果多個線程調用exchange()方法，數據交換可能會出現混亂，因此實際上Exchanger應用并不多見。

03、小結

本文篇幅稍有所長，內容難免有所遺漏，歡迎大家留言指出！

04、參考

1.https://www.cnblogs.com/xrq730/p/4869671.html

2.https://zhuanlan.zhihu.com/p/97055716

責任編輯：武曉燕來源：潘志的研發筆記

并發編程工具類

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盤點并發編程中幾個實用的線程同步技術

01、背景介紹

02、常用并發工具類

2.1、CountDownLatch

示例1：某個線程等待 n 個工作線程

示例2：n 個工作線程等待某個線程

2.2、CyclicBarrier

2.3、Semaphore

2.4、Exchanger

03、小結

04、參考