java架構之路（多線程）JUC併發編程之Semaphore信號量、CountDownLatch、CyclicBarrier柵欄、Executors線程池

上期回顧：

　　上次博客我們主要說了我們juc併發包下面的ReetrantLock的一些簡單使用和底層的原理，是如何實現公平鎖、非公平鎖的。內部的雙向鏈表到底是什麼意思，prev和next到底是什麼，爲什麼要引入heap和tail來值向null的Node節點。高併發時候是如何保證state來記錄重入鎖的，在我們的上次博客都做了詳細的說明。這次我們來聊一些簡單易懂且實用的AQS中的工具類。

Semaphore信號量：

　　這個東西很簡單，別看字面意思，什麼信號量，我也不懂得那個術語什麼意思，Semaphore你可以這樣來理解，我們要去看電影，而且是3D電影（必須戴3D眼鏡纔可以進入），但是比較不巧的是我們電影院只有兩個3D眼鏡了，也就是說，我們每次只能進去兩個人看電影，然後等待這兩個人看完電影以後把眼鏡還回來，後面的兩個人才能繼續觀看，就是說每次只允許最多進去兩個人，每次進入到線程獲取鎖，需要你得到前置的票據，纔可以進行後續的流程。可以理解爲一個簡單的限流吧。我們來一下代碼示例。

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眼鏡進去了,時間是"+System.currentTimeMillis());

                Thread.sleep(1000);

                semaphore.release();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出來了,將3D眼鏡還給了服務人員,時間是"+System.currentTimeMillis());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
}

運行結果就是這樣的

　　我們來解釋一下運行結果，線程1和線程3同一時間去看電影了，然後1出來了，這時線程9馬上拿着我們的3D眼鏡進去了，過了一會線程3也看完電影了，出來了還了3D眼鏡，線程7又在同一時間拿着3D眼鏡進去看電影了，後續線程都是如此執行的，每次只是進入兩個線程。

　　簡單的使用看到了，我們來看看底層的源碼設計吧。開始的時候我們是創建一個Semaphore內部票據數目給予的是2。

//1.創建初始票據是2的Semaphore 
Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
//2.進入Semaphore,查看數據2是如何存儲的.
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}
//3.底層還是基於sync 創建了一個對象,但不同於過去ReetrantLock的是,這次是一個非公平的鎖對象,我們再次進入NonfairSync看看那個數字2到底放在哪裏了.
Sync(int permits) {
    setState(permits);
}
//4.我們可以看到底層還是用State來存儲的.

　　這次沒有把所有代碼全部粘出來,感覺那樣像是湊篇幅一樣。

　　通過上述代碼，我們可以看到，我們的初始票據數，是上一次那個state來存的。

　　後續我們調用了acquire方法來嘗試獲取票據，acquire方法也可以傳入獲取票據數目的比如semaphore.acquire(2);也是可以的。我們進入acquire方法來看看到底是如何獲取的。

//從new Semaphore(2);點擊進入後續方法
public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
//我們可以看到,當我們沒有傳需要獲取多少票據的時候,會默認給予1這個參數,我們來繼續看後續流程
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
//Thread.interrupted()判斷當前線程是否已經中斷,如果中斷我直接拋出異常,電影都演完了,我拿3D眼鏡還有毛線用.
//tryAcquireShared(arg)嘗試獲取票據,arg是1,剛纔給予的默認1
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}
//內部有實現關係,所以調用的是Semaphore類nonfairTryAcquireShared方法,我們來解讀一下
//直接就是一個死循環, int available = getState();獲取一下當前還有多少票據
// int remaining = available - acquires;計算出當前票據減去所需票據的一個剩餘值
//if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))我們現有2個票據,拿走1個,剩餘1個,所以remaining < 0 一定是false的
//再來看另一半compareAndSetState,用原子計算(上次博客說過爲什麼要原子計算)方式來修改剩餘票據,這個是可以修改成功的.所以滿足條件可以返回一個2-1  也就是返回一個正數1

　　是不是有點看懵圈了，很多小夥伴感覺if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))前面的remaining<0，這個或判斷貌似沒用啊，來張圖解釋一下。

 　　有沒有感覺好點了，自己可以跟着源代碼走一走，獲取的過程就差一個doAcquireSharedInterruptibly還沒有看了，如果獲取超過了票據數，也就是不應該讓返回負數時運行doAcquireSharedInterruptibly方法，我們來看一下。

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//以共享方式添加節點
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//判斷前驅節點是否爲空
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);//再次嘗試獲取票據
                if (r >= 0) {//>= 0表示獲取票據成功
                    setHeadAndPropagate(node, r);//更改頭節點
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //剔除不可用的Node節點
                    parkAndCheckInterrupt()) //阻塞當前線程
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

　　經過兩次以上的嘗試，我們將該線程阻塞了，不至於一直for循環在運行，也就這樣，票據發放完畢了。

　　過程差不多就是這樣的，我們可以再仔細看一下是如何添加節點的，上次ReetrantLock說了一些，我們這次再來看一下。我們現已第一次塞節點爲例，

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，我們現在已初始塞節點爲例。
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);//爲空直接進入這個邏輯
    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 //二次循環不爲空 進入else
            if (compareAndSetHead(new Node()))//2.創建一個空節點,並且作爲head節點.
                tail = head;//3.tail指向那個head節點
        } else {
            node.prev = t;//4. 將node節點的前驅指針指向
            if (compareAndSetTail(t, node)) {//5.原子計算方式將node節點後驅節點指向tail
                t.next = node;//6.將t節點(空節點)的後驅指針指向node節點
                return t;
            }
        }
    }
}

 

 　　第一次循環只是一個內部的初始空節點，第二次循環纔是移動指針塞入的過程。

 

　　 節點喚醒是在釋放票據時被喚醒的，代碼超級簡單，可以自己當做一份作業，自己去看一遍代碼吧~！提示流程就是先還票據，然後喚醒。Semaphore差不多就這些知識點，我也帶着大家簡單的看了一遍源碼。我們再來繼續看一下後面AQS的一些工具類。

CountDownLaunch的基本使用

　　CountDownLaunch很好理解，也是比較實用的，我們幹王者農藥的時候就是一個很好的栗子，遊戲選完人物大家一起加載地圖等遊戲資料，有的人慢，有的人快，這時就印出來了CountDownLaunch，相當於我們5個玩家同時開啓5個線程，然後一起執行，執行完畢先等着，直到5個玩家全部執行完成時，纔可以運行後續操作。我們來看一下代碼。

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("全部加載完成");
    }

    static class playerOne implements Runnable {
        CountDownLatch countDownLatch;

        public playerOne(CountDownLatch countDownLatch) {
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }

        public void run() {
            try {
                System.out.println("玩家1開始加載...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("玩家1加載完成");
            } 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開始加載...");
                Thread.sleep(10000);
                System.out.println("玩家2加載完成");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (countDownLatch != null)
                    countDownLatch.countDown();
            }
        }

    }
}

 　　實際項目中如果遇到讀取excel多個sheet頁籤然後彙總數據的情況也可以採用CountDownLanch。注意最後final的countDownLatch.countDown()方法，也是一個類似上面票據增減的方法。

CyclicBarrier柵欄的簡單使用：

　　CyclicBarrier和我們上面的CountDownLanch差不多，都是開啓多個任務一起去執行，不同的是CountDownLanch需要支線任務執行完成然後CountDownLanch做一個彙總，然後繼續運行後續程序。CyclicBarrier不需要做彙總。再就是CyclicBarrier是可以重複的。

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("所有特工到達屏障，準備開始執行祕密任務");
            }
        });
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new CyclicBarrierTest(cyclicBarrier, i)).start();
        }
        cyclicBarrier.await();
        System.out.println("全部到達屏障....");
    }

}

　　這個需要注意的是CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(11, 這個11，就是說一定有11個線程執行完畢，我纔可以執行後面的操作，我們下面for循環是10，而我們那裏寫的是11啊，別忘記還有一個主線程呢，所以說每次計算一定加一個主線程啊。

Exchanger的簡單使用

　　最後就是我們Exchanger，平時使用的不多，我們瞭解一下就可以了，摟一眼代碼，就是線程之間的變量交換。

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("我是線程：Thread_" + this.getName() + "我的數據是：" + num);
                try {
                    Integer exchangeNum = exchanger.exchange(num);
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("我是線程：Thread_" + this.getName() + "我原先的數據爲：" + num + " , 交換後的數據爲：" + exchangeNum);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }.start();
    }
}

總結：

　　這次我們核心梳理了我們的Semaphore的執行流程，內部是如何來實現我們的票據計數，獲取，歸還等操作的，再就是我們for無限循環會在兩次以後自動阻塞的設計思想，還有我們的CountDownLanch、CyclicBarrier、Executors的基本使用，並賦予大家簡單的代碼流程，今天就說到這，明天我們繼續來說我們的多線程。