J.U.C - AQS

• CountdownLatch
• CyclicBarrier
• Semaphore
• 总结

AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer 的简称，java.util.concurrent（J.U.C）大大提高了并发性能，AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 被认为是 J.U.C 的核心。它提供了一个基于 FIFO 队列，这个队列可以用来构建锁或者其他相关的同步装置的基础框架。下图是 AQS 底层的数据结构：

它底层使用的是双向列表，是队列的一种实现 , 因此也可以将它当成一种队列。

• Sync queue 是同步列表，它是双向列表 , 包括 head，tail 节点。其中 head 节点主要用来后续的调度 ;
• Condition queue 是单向链表 , 不是必须的 , 只有当程序中需要 Condition 的时候，才会存在这个单向链表 , 并且可能会有多个 Condition queue。

简单的来说：

• AQS其实就是一个可以给我们实现锁的框架

• 内部实现的关键是：先进先出的队列、state 状态

• 定义了内部类 ConditionObject

• 拥有两种线程模式

• • 独占模式
  • 共享模式

• 在 LOCK 包中的相关锁（常用的有 ReentrantLock、 ReadWriteLock ）都是基于 AQS 来构建

• 一般我们叫 AQS 为同步器。

CountdownLatch

CountDownLatch 类位于 java.util.concurrent 包下，利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务 A，它要等待其他 4 个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用 CountDownLatch 来实现这种功能了。

维护了一个计数器 cnt，每次调用 countDown() 方法会让计数器的值减 1，减到 0 的时候，那些因为调用 await() 方法而在等待的线程就会被唤醒。

CountDownLatch 类只提供了一个构造器：

public CountDownLatch(int count) {  };  // 参数count为计数值

 

然后下面这 3 个方法是 CountDownLatch 类中最重要的方法：

//调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行
public void await() throws InterruptedException { };
//和await()类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };
//将count值减1
public void countDown() { };

 

下面看一个例子大家就清楚 CountDownLatch 的用法了：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
        new Thread() {
            public void run() {
                try {
                    System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
                    latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            ;
        }.start();
        new Thread() {
            public void run() {
                try {
                    System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
                    latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            ;
        }.start();
        try {
            System.out.println("等待2个子线程执行完毕...");
            latch.await();
            System.out.println("2个子线程已经执行完毕");
            System.out.println("继续执行主线程");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 

执行结果：

线程Thread-0正在执行
线程Thread-1正在执行
等待2个子线程执行完毕...
线程Thread-0执行完毕
线程Thread-1执行完毕
2个子线程已经执行完毕
继续执行主线程

CyclicBarrier

用来控制多个线程互相等待，只有当多个线程都到达时，这些线程才会继续执行。

和 CountdownLatch 相似，都是通过维护计数器来实现的。但是它的计数器是递增的，每次执行 await() 方法之后，计数器会加 1，直到计数器的值和设置的值相等，等待的所有线程才会继续执行。和 CountdownLatch 的另一个区别是，CyclicBarrier 的计数器可以循环使用，所以它才叫做循环屏障。

下图应该从下往上看才正确。

public class CyclicBarrierExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int totalThread = 10;
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(totalThread);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < totalThread; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                System.out.print("before..");
                try {
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.print("after..");
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

 

before..before..before..before..before..before..before..before..before..before..after..after..after..after..after..after..after..after..after..after..

Semaphore

Semaphore 就是操作系统中的信号量，可以控制对互斥资源的访问线程数。Semaphore 可以控同时访问的线程个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。

 

Semaphore 类位于 java.util.concurrent 包下，它提供了2个构造器：

public Semaphore(int permits) {          
    //参数permits表示许可数目，即同时可以允许多少线程进行访问
    sync = new NonfairSync(permits);
}

public Semaphore(int permits, boolean fair) {    
    //这个多了一个参数fair表示是否是公平的，即等待时间越久的越先获取许可    
    sync = (fair) ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

 

下面说一下 Semaphore 类中比较重要的几个方法，首先是 acquire()、release() 方法：

//获取一个许可
public void acquire() throws InterruptedException {  }
//获取permits个许可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { }
//释放一个许可
public void release() { }
//释放permits个许可
public void release(int permits) { }

 

　　acquire() 用来获取一个许可，若无许可能够获得，则会一直等待，直到获得许可。

　　release() 用来释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。

这 4 个方法都会被阻塞，如果想立即得到执行结果，可以使用下面几个方法：

//尝试获取一个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire() { };    
//尝试获取一个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; 
//尝试获取permits个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; 
//尝试获取permits个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };

 

　　另外还可以通过 availablePermits() 方法得到可用的许可数目。

　　下面通过一个例子来看一下 Semaphore 的具体使用：

　　假若一个工厂有 5 台机器，但是有 8 个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用。那么我们就可以通过 Semaphore 来实现：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 8;            //工人数        
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目       
        for (int i = 0; i < N; i++) new Worker(i, semaphore).start();
    }

    static class Worker extends Thread {
        private int num;
        private Semaphore semaphore;

        public Worker(int num, Semaphore semaphore) {
            this.num = num;
            this.semaphore = semaphore;
        }
        
        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人" + this.num + "占用一个机器在生产...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("工人" + this.num + "释放出机器");
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

 

执行结果：

工人0占用一个机器在生产...
工人1占用一个机器在生产...
工人2占用一个机器在生产...
工人4占用一个机器在生产...
工人5占用一个机器在生产...
工人0释放出机器
工人2释放出机器
工人3占用一个机器在生产...
工人7占用一个机器在生产...
工人4释放出机器
工人5释放出机器
工人1释放出机器
工人6占用一个机器在生产...
工人3释放出机器
工人7释放出机器
工人6释放出机器

 

总结

下面对上面说的三个辅助类进行一个总结：

• CountDownLatch 和 CyclicBarrier 都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同：
  • CountDownLatch 一般用于某个线程A等待若干个其他线程执行完任务之后，它才执行；
  • CyclicBarrier 一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行；
  • 另外，CountDownLatch 是不能够重用的，而 CyclicBarrier 是可以重用的。
• Semaphore 其实和锁有点类似，它一般用于控制对某组资源的访问权限。