Java编程的逻辑 (81) - 并发同步协作工具
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我们在67节和68节实现了线程的一些基本协作机制，那是利用基本的wait/notify实现的，我们提到，Java并发包中有一些专门的同步工具类，本节，我们就来探讨它们。
我们要探讨的工具类包括：
- 读写锁ReentrantReadWriteLock
- 信号量Semaphore
- 倒计时门栓CountDownLatch
- 循环栅栏CyclicBarrier
与71节介绍的显示锁和72节介绍的显示条件类似，它们也都是基于AQS实现的，AQS可参看71节。在一些特定的同步协作场景中，相比使用最基本的wait/notify，显示锁/条件，它们更为方便，效率更高。下面，我们就来探讨它们的基本概念、用法、用途和基本原理。
读写锁ReentrantReadWriteLock
之前章节我们介绍了两种锁，66节介绍了synchronized，71节介绍了显示锁ReentrantLock。对于同一受保护对象的访问，无论是读还是写，它们都要求获得相同的锁。在一些场景中，这是没有必要的，多个线程的读操作完全可以并行，在读多写少的场景中，让读操作并行可以明显提高性能。
怎么让读操作能够并行，又不影响一致性呢？答案是使用读写锁。在Java并发包中，接口ReadWriteLock表示读写锁，主要实现类是可重入读写锁ReentrantReadWriteLock。
ReadWriteLock的定义为：
public interface ReadWriteLock { Lock readLock(); Lock writeLock(); }
通过一个ReadWriteLock产生两个锁，一个读锁，一个写锁。读操作使用读锁，写操作使用写锁。
需要注意的是，只有"读-读"操作是可以并行的，"读-写"和"写-写"都不可以。只有一个线程可以进行写操作，在获取写锁时，只有没有任何线程持有任何锁才可以获取到，在持有写锁时，其他任何线程都获取不到任何锁。在没有其他线程持有写锁的情况下，多个线程可以获取和持有读锁。
ReentrantReadWriteLock是可重入的读写锁，它有两个构造方法，如下所示：
public ReentrantLock() public ReentrantLock(boolean fair)
fire表示是否公平，不传递的话是false，含义与显式锁一节介绍的类似，就不赘述了。
我们看个简单的例子，使用ReentrantReadWriteLock实现一个缓存类MyCache，代码如下：
public class MyCache { private Map<String, Object> map = new HashMap<>(); private ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(); private Lock readLock = readWriteLock.readLock(); private Lock writeLock = readWriteLock.writeLock(); public Object get(String key) { readLock.lock(); try { return map.get(key); } finally { readLock.unlock(); } } public Object put(String key, Object value) { writeLock.lock(); try { return map.put(key, value); } finally { writeLock.unlock(); } } public void clear() { writeLock.lock(); try { map.clear(); } finally { writeLock.unlock(); } } }
代码比较简单，就不赘述了。
读写锁是怎么实现的呢？读锁和写锁看上去是两个锁，它们是怎么协调的？具体实现比较复杂，我们简述下其思路。
内部，它们使用同一个整数变量表示锁的状态，16位给读锁用，16位给写锁用，使用一个变量便于进行CAS操作，锁的等待队列其实也只有一个。
写锁的获取，就是确保当前没有其他线程持有任何锁，否则就等待。写锁释放后，也就是将等待队列中的第一个线程唤醒，唤醒的可能是等待读锁的，也可能是等待写锁的。
读锁的获取不太一样，首先，只要写锁没有被持有，就可以获取到读锁，此外，在获取到读锁后，它会检查等待队列，逐个唤醒最前面的等待读锁的线程，直到第一个等待写锁的线程。如果有其他线程持有写锁，获取读锁会等待。读锁释放后，检查读锁和写锁数是否都变为了0，如果是，唤醒等待队列中的下一个线程。
信号量Semaphore
之前介绍的锁都是限制只有一个线程可以同时访问一个资源。现实中，资源往往有多个，但每个同时只能被一个线程访问，比如，饭店的饭桌、火车上的卫生间。有的单个资源即使可以被并发访问，但并发访问数多了可能影响性能，所以希望限制并发访问的线程数。还有的情况，与软件的授权和计费有关，对不同等级的账户，限制不同的最大并发访问数。
信号量类Semaphore就是用来解决这类问题的，它可以限制对资源的并发访问数，它有两个构造方法：
public Semaphore(int permits) public Semaphore(int permits, boolean fair)
fire表示公平，含义与之前介绍的是类似的，permits表示许可数量。
Semaphore的方法与锁是类似的，主要的方法有两类，获取许可和释放许可，主要方法有：
//阻塞获取许可 public void acquire() throws InterruptedException //阻塞获取许可，不响应中断 public void acquireUninterruptibly() //批量获取多个许可 public void acquire(int permits) throws InterruptedException public void acquireUninterruptibly(int permits) //尝试获取 public boolean tryAcquire() //限定等待时间获取 public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException //释放许可 public void release()
我们看个简单的示例，限制并发访问的用户数不超过100，代码如下：
public class AccessControlService { public static class ConcurrentLimitException extends RuntimeException { private static final long serialVersionUID = 1L; } private static final int MAX_PERMITS = 100; private Semaphore permits = new Semaphore(MAX_PERMITS, true); public boolean login(String name, String password) { if (!permits.tryAcquire()) { // 同时登录用户数超过限制 throw new ConcurrentLimitException(); } // ..其他验证 return true; } public void logout(String name) { permits.release(); } }
代码比较简单，就不赘述了。
需要说明的是，如果我们将permits的值设为1，你可能会认为它就变成了一般的锁，不过，它与一般的锁是不同的。一般锁只能由持有锁的线程释放，而Semaphore表示的只是一个许可数，任意线程都可以调用其release方法。主要的锁实现类ReentrantLock是可重入的，而Semaphore不是，每一次的acquire调用都会消耗一个许可，比如，看下面代码段：
Semaphore permits = new Semaphore(1); permits.acquire(); permits.acquire(); System.out.println("acquired");
程序会阻塞在第二个acquire调用，永远都不会输出"acquired"。
信号量的基本原理比较简单，也是基于AQS实现的，permits表示共享的锁个数，acquire方法就是检查锁个数是否大于0，大于则减一，获取成功，否则就等待，release就是将锁个数加一，唤醒第一个等待的线程。
倒计时门栓CountDownLatch
我们在68节使用wait/notify实现了一个简单的门栓MyLatch，我们提到，Java并发包中已经提供了类似工具，就是CountDownLatch。它的大概含义是指，它相当于是一个门栓，一开始是关闭的，所有希望通过该门的线程都需要等待，然后开始倒计时，倒计时变为0后，门栓打开，等待的所有线程都可以通过，它是一次性的，打开后就不能再关上了。
CountDownLatch里有一个计数，这个计数通过构造方法进行传递：
public CountDownLatch(int count)
多个线程可以基于这个计数进行协作，它的主要方法有：
public void await() throws InterruptedException public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException public void countDown()
await()检查计数是否为0，如果大于0，就等待，await()可以被中断，也可以设置最长等待时间。countDown检查计数，如果已经为0，直接返回，否则减少计数，如果新的计数变为0，则唤醒所有等待的线程。
在68节，我们介绍了门栓的两种应用场景，一种是同时开始，另一种是主从协作。它们都有两类线程，互相需要同步，我们使用CountDownLatch重新演示下。
在同时开始场景中，运行员线程等待主裁判线程发出开始指令的信号，一旦发出后，所有运动员线程同时开始，计数初始为1，运动员线程调用await，主线程调用countDown，示例代码如下：
public class RacerWithCountDownLatch { static class Racer extends Thread { CountDownLatch latch; public Racer(CountDownLatch latch) { this.latch = latch; } @Override public void run() { try { this.latch.await(); System.out.println(getName() + " start run "+System.currentTimeMillis()); } catch (InterruptedException e) { } } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { int num = 10; CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1); Thread[] racers = new Thread[num]; for (int i = 0; i < num; i++) { racers[i] = new Racer(latch); racers[i].start(); } Thread.sleep(1000); latch.countDown(); } }
代码比较简单，就不赘述了。在主从协作模式中，主线程依赖工作线程的结果，需要等待工作线程结束，这时，计数初始值为工作线程的个数，工作线程结束后调用countDown，主线程调用await进行等待，示例代码如下：
public class MasterWorkerDemo { static class Worker extends Thread { CountDownLatch latch; public Worker(CountDownLatch latch) { this.latch = latch; } @Override public void run() { try { // simulate working on task Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000)); // simulate exception if (Math.random() < 0.02) { throw new RuntimeException("bad luck"); } } catch (InterruptedException e) { } finally { this.latch.countDown(); } } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { int workerNum = 100; CountDownLatch latch = new CountDownLatch(workerNum); Worker[] workers = new Worker[workerNum]; for (int i = 0; i < workerNum; i++) { workers[i] = new Worker(latch); workers[i].start(); } latch.await(); System.out.println("collect worker results"); } }
需要强调的是，在这里，countDown的调用应该放到finally语句中，确保在工作线程发生异常的情况下也会被调用，使主线程能够从await调用中返回。
循环栅栏CyclicBarrier
我们在68节使用wait/notify实现了一个简单的集合点AssemblePoint，我们提到，Java并发包中已经提供了类似工具，就是CyclicBarrier。它的大概含义是指，它相当于是一个栅栏，所有线程在到达该栅栏后都需要等待其他线程，等所有线程都到达后再一起通过，它是循环的，可以用作重复的同步。
CyclicBarrier特别适用于并行迭代计算，每个线程负责一部分计算，然后在栅栏处等待其他线程完成，所有线程到齐后，交换数据和计算结果，再进行下一次迭代。
与CountDownLatch类似，它也有一个数字，但表示的是参与的线程个数，这个数字通过构造方法进行传递：
public CyclicBarrier(int parties)
它还有一个构造方法，接受一个Runnable参数，如下所示：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
这个参数表示栅栏动作，当所有线程到达栅栏后，在所有线程执行下一步动作前，运行参数中的动作，这个动作由最后一个到达栅栏的线程执行。
CyclicBarrier的主要方法就是await：
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException
await在等待其他线程到达栅栏，调用await后，表示自己已经到达，如果自己是最后一个到达的，就执行可选的命令，执行后，唤醒所有等待的线程，然后重置内部的同步计数，以循环使用。
await可以被中断，可以限定最长等待时间，中断或超时后会抛出异常。需要说明的是异常BrokenBarrierException，它表示栅栏被破坏了，什么意思呢？在CyclicBarrier中，参与的线程是互相影响的，只要其中一个线程在调用await时被中断了，或者超时了，栅栏就会被破坏，此外，如果栅栏动作抛出了异常，栅栏也会被破坏，被破坏后，所有在调用await的线程就会退出，抛出BrokenBarrierException。
我们看一个简单的例子，多个游客线程分别在集合点A和B同步：
public class CyclicBarrierDemo { static class Tourist extends Thread { CyclicBarrier barrier; public Tourist(CyclicBarrier barrier) { this.barrier = barrier; } @Override public void run() { try { // 模拟先各自独立运行 Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000)); // 集合点A barrier.await(); System.out.println(this.getName() + " arrived A " + System.currentTimeMillis()); // 集合后模拟再各自独立运行 Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000)); // 集合点B barrier.await(); System.out.println(this.getName() + " arrived B " + System.currentTimeMillis()); } catch (InterruptedException e) { } catch (BrokenBarrierException e) { } } } public static void main(String[] args) { int num = 3; Tourist[] threads = new Tourist[num]; CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(num, new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("all arrived " + System.currentTimeMillis() + " executed by " + Thread.currentThread().getName()); } }); for (int i = 0; i < num; i++) { threads[i] = new Tourist(barrier); threads[i].start(); } } }
在我的电脑上的一次输出为：
all arrived 1490053578552 executed by Thread-1 Thread-1 arrived A 1490053578555 Thread-2 arrived A 1490053578555 Thread-0 arrived A 1490053578555 all arrived 1490053578889 executed by Thread-0 Thread-0 arrived B 1490053578890 Thread-2 arrived B 1490053578890 Thread-1 arrived B 1490053578890
多个线程到达A和B的时间是一样的，使用CyclicBarrier，达到了重复同步的目的。
CyclicBarrier与CountDownLatch可能容易混淆，我们强调下其区别：
- CountDownLatch的参与线程是有不同角色的，有的负责倒计时，有的在等待倒计时变为0，负责倒计时和等待倒计时的线程都可以有多个，它用于不同角色线程间的同步。
- CyclicBarrier的参与线程角色是一样的，用于同一角色线程间的协调一致。
- CountDownLatch是一次性的，而CyclicBarrier是可以重复利用的。
小结
本节介绍了Java并发包中的一些同步协作工具：
- 在读多写少的场景中使用ReentrantReadWriteLock替代ReentrantLock，以提高性能
- 使用Semaphore限制对资源的并发访问数
- 使用CountDownLatch实现不同角色线程间的同步
- 使用CyclicBarrier实现同一角色线程间的协调一致
实际中，应该优先使用这些工具，而不是手工用wait/notify或者显示锁/条件同步。
下一节，我们来探讨一个特殊的概念，线程局部变量ThreadLocal，它是什么呢？
(与其他章节一样，本节所有代码位于 https://github.com/swiftma/program-logic)
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