Java 并发工具类 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、Exchanger

本文部分摘自《Java 并发编程的艺术》

CountDownLatch

CountDownLatch 允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。假设现有一个需求：我们需要解析一个 Excel 里多个 sheet 的数据，此时可以考虑使用多线程，每个线程解析一个 sheet 的数据，等到所有的 sheet 都解析完之后，程序需要提示解析完成。在这个需求中，要实现主线程等待所有线程完成 sheet 的解析操作，最简单的做法就是使用 join() 方法

public class JoinCountDownLatchTest {

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

        Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("parser2 finish");
            }
        });

        Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("parser2 finish");
            }
        });

        parser1.start();
        parser2.start();
        parser1.join();
        parser2.join();
        System.out.println("all parser finish");
    }
}

在 JDK5 之后的并发包中提供的 CountDownLatch 也可以实现 join 的功能，并且比 join 的功能更多

public class CountDownLatchTest {

    // CountDown 的构造函数接收一个 int 类型的参数作为计数器
    // 假设想等待 N 个点完成，就传入 N
    static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);

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

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                System.out.println(1);
                // 每当调用 countDown 方法时，N 就会减一
                c.countDown();
                System.out.println(2);
                c.countDown();
            }
        }).start();
		// await 会阻塞当前线程，直到 N 变成零
        c.await();
        System.out.println(3);
    }
}

CyclicBarrier

CyclicBarrier 可以让一组线程到达一个屏障（同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会放行，所有被屏障拦截的线程才会继续运行

public class CyclicBarrierTest {
    
	// 传入参数为2
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    //调用await方法，计数减一，并阻塞，直到计数为零才放行 
                    c.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(1);
            }
        }).start();

        try {
            c.await();
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(2);
    }
}

如果把 new CyclicBarrier(2) 修改为 new CyclicBarrier(3)，则主线程和子线程会永远等待，因为没有第三个线程执行 await 方法

CyclicBarrier 还提供一个更高级的构造函数 CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于在线程到达屏障时，优先执行 barrierAction 方法

public class CyclicBarrierTest2 {

    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    c.await();
                } catch (Exception e) {

                }
                System.out.println(1);
            }
        }).start();

        try {
            c.await();
        } catch (Exception e) {

        }
        System.out.println(2);
    }

    static class A implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(3);
        }
    }
}

最终输出结果一定先是 3 开头

Semaphore

Semaphore（信号量）用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源

1. 应用场景

Semaphore 可以用于做流量控制，特别是公用资源有限的应用场景，比如数据库连接

public class SemaphoreTest {

    private static final int THREAD_COUNT = 30;

    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);

    private static Semaphore s = new Semaphore(10);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {

            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        s.acquire();
                        System.out.println("save data");
                        s.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
        threadPool.shutdown();
    }
}

代码中，虽然有 30 个线程执行，但只允许 10 个线程并发执行。Semaphore 的构造方法 Semaphore(int permits) 接受一个整型的数字，表示可用的许可证数量。Semaphore 的用法也很简单，首先线程使用 Semaphore 的 acquire() 方法获取一个许可证，使用完之后调用 release() 方法归还即可，还可以使用 tryAcquire() 方法尝试获取许可证

Exchanger

Exchanger（交换者）是一个用于线程间协作的工具类，用于线程间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以彼此交换数据。这两个线程通过 exchange 方法交换数据，如果第一个线程先执行 exchange 方法，它会一直等待第二个线程执行 exchange 方法，当两个线程都到达同步点时，两个线程就可以交换数据了

假设现在有一个需求：我们需要将纸质银行流水通过人工的方式录入电子银行流水，为了避免错误，采用 AB 岗两人进行录入，录入完成后，系统需加载这两人录入的数据进行比较，看看是否录入一致

public class ExchangerTest {

    private static final Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);

    public static void main(String[] args) {

        threadPool.execute(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    // A录入银行流水数据
                    String A = "银行流水A";
                    exchanger.exchange(A);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        threadPool.execute(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    // B录入银行流水数据
                    String B = "银行流水B";
                    String A = exchanger.exchange(B);
                    System.out.println("A 和 B 数据是否一致：" + A.equals(B) + ", A 录入的是：" + A
                        + ", B 录入的是：" + B);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        threadPool.shutdown();
    }
}