高并发、多线程探索-8-并发容器J.U.C--AQS组件CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier

AQS简介

AQS全名:AbstractQueuedSynchronizer,是并发容器J.U.C(java.lang.concurrent)下locks包内的一个类。它实现了一个FIFO(FirstIn、FisrtOut先进先出)的队列。底层实现的数据结构是一个双向列表

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Sync queue:同步队列,是一个双向列表。包括head节点和tail节点。head节点主要用作后续的调度。

Condition queue:非必须,单向列表。当程序中存在cindition的时候才会存在此列表

AQS设计思想

使用Node实现FIFO队列,可以用于构建锁或者其他同步装置的基础框架。
利用int类型标识状态。在AQS类中有一个叫做state的成员变量

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/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;

基于AQS有一个同步组件,叫做ReentrantLock。在这个组件里,stste表示获取锁的线程数,假如state=0,表示还没有线程获取锁,1表示有线程获取了锁。大于1表示重入锁的数量。
继承:子类通过继承并通过实现它的方法管理其状态(acquire和release方法操纵状态)。
可以同时实现排它锁和共享锁模式(独占、共享),站在一个使用者的角度,AQS的功能主要分为两类:独占和共享。它的所有子类中,要么实现并使用了它的独占功能的api,要么使用了共享锁的功能,而不会同时使用两套api,即便是最有名的子类ReentrantReadWriteLock也是通过两个内部类读锁和写锁分别实现了两套api来实现的。

AQS的大致实现思路

AQS内部维护了一个CLH队列来管理锁。线程会首先尝试获取锁,如果失败就将当前线程及等待状态等信息包装成一个node节点加入到同步队列sync
queue里。接着会不断的循环尝试获取锁,条件是当前节点为head的直接后继才会尝试。如果失败就会阻塞自己直到自己被唤醒。而当持有锁的线程释放锁的时候,会唤醒队列中的后继线程。

AQS组件:CountDownLatch

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通过一个计数来保证线程是否需要被阻塞。实现一个或多个线程等待其他线程执行的场景。
我们定义一个CountDownLatch,通过给定的计数器为其初始化,该计数器是原子性操作,保证同时只有一个线程去操作该计数器。调用该类await方法的线程会一直处于阻塞状态。只有其他线程调用countDown方法(每次使计数器-1),使计数器归零才能继续执行。

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final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);

for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
exec.execute(() -> {
try {
test(threadNum); //需要被等待的线程执行的方法
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
} finally {
countDownLatch.countDown();
}
});
}
countDownLatch.await();

CountDownLatch的await方法还有重载形式,可以设置等待的时间,如果超过此时间,计数器还未清零,则不继续等待:

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countDownLatch.await(10, TimeUnit.MILLISECONDS);

//参数1:等待的时间长度
//参数2:等待的时间单位

AQS组件:Semaphore

用于保证同一时间并发访问线程的数目。
信号量在操作系统中是很重要的概念,Java并发库里的Semaphore就可以很轻松的完成类似操作系统信号量的控制。Semaphore可以很容易控制系统中某个资源被同时访问的线程个数。
在数据结构中我们学过链表,链表正常是可以保存无限个节点的,而Semaphore可以实现有限大小的列表。
使用场景:仅能提供有限访问的资源。比如数据库连接。 Semaphore使用acquire方法和release方法来实现控制:

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/**
* 1、普通调用
*/
try {
semaphore.acquire(); // 获取一个许可
test();//需要并发控制的内容
semaphore.release(); // 释放一个许可
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}

/**
* 2、同时获取多个许可,同时释放多个许可
*/
try {
semaphore.acquire(2);
test();
semaphore.release(2);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}

/*
* 3、尝试获取许可,获取不到不执行
*/
try {
if (semaphore.tryAcquire()) {
test(threadNum);
semaphore.release();
}
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}

/*
* 4、尝试获取许可一段时间,获取不到不执行
* 参数1:等待时间长度 参数2:等待时间单位
*/
try {
if (semaphore.tryAcquire(5000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
test(threadNum);
semaphore.release();
}
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}

AQS组件:CyclicBarrier

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也是一个同步辅助类,它允许一组线程相互等待,直到到达某个公共的屏障点(循环屏障)通过它可以完成多个线程之间相互等待,只有每个线程都准备就绪后才能继续往下执行后面的操作。
每当有一个线程执行了await方法,计数器就会执行+1操作,待计数器达到预定的值,所有的线程再同时继续执行。由于计数器释放之后可以重用(reset方法),所以称之为循环屏障。

与CountDownLatch区别:
1、计数器可重复用
2、描述一个或多个线程等待其他线程的关系/多个线程相互等待//公共线程循环调用方法

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private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);

public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
executor.execute(() -> {
try {
race(threadNum);
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
});
}
executor.shutdown();
}

//使用方法1:每个线程都持续等待
private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
log.info("{} is ready", threadNum);
barrier.await();
log.info("{} continue", threadNum);
}

//使用方法2:每个线程只等待一段时间
private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
try {
barrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException | TimeoutException e) {
log.warn("BarrierException", e);
}
}

//使用方法3:在初始化的时候设置runnable,当线程达到屏障时优先执行runnable
private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
log.info("callback is running");
});
生活不止苟且,还有我喜爱的海岸.