多線程并發工具類

1.等待多線程完成的CountDownLatch

CountDownLatch允許一個或多個線程等待其他線程完成操作。即他可以實作與join()方法相同的功能，而且比join的功能更多。可以在初始化CountDownLatch時傳入一個int參數來設定初始計數值，任何在CountDownLatch對象上調用wait()的方法都将被阻塞，直到這個CountDownLatch對象的計數值為0。CountDownLatch被設計為隻能觸發一次，計數值不能被重置。

當我們調用CountDownLatch的countDown方法時，計數值N就會減1，CountDownLatch的await方法會阻塞目前線程，直到N變成零。由于countDown方法可以用在任何地方，是以這裡說的N個點，可以是N個線程，也可以是1個線程裡的N個執行步驟。用在多個線程時，隻需要把這個 CountDownLatch的引用傳遞到線程裡即可。

注意：計數器必須大于等于0，隻是等于0時候，計數器就是零，則此時調用await方法時不會阻塞目前線程。CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch對象的内部計數器的值。一個線程調用countDown方法發生之前，另外一個線程調用await方法。一個線程調用countDown方法并不會被阻塞，隻有調用await()方法的線程才會被阻塞。

public class TestCountDownLatch {
	static CountDownLatch c=new CountDownLatch(8);
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		for(int i=1;i<=8;i++){
			Thread t=new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					try {
						Thread.sleep(1000);
						System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"完成");
						c.countDown();//計數器減1
					} catch (InterruptedException e) {
						// TODO Auto-generated catch block
						e.printStackTrace();
					}
				}
			});
			t.start();
		}
		c.await();//主線程會在此處阻塞，直到CountDownLatch的計數器為0才會恢複
		System.out.println("完成所有準備任務");
		System.out.println("主程式開始執行");
	}
}

2.同步屏障CyclicBarrier

CyclicBarrier的字面意思是可循環使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，讓一組線程到達一個屏障（也可以叫同步點）時被阻塞，直到最後一個線程到達屏障時，屏障才會開門，所有被屏障攔截的線程才會繼續運作。

CyclicBarrier預設的構造方法是CyclicBarrier（int parties），其參數表示屏障攔截的線程數量，每個線程調用await方法告訴CyclicBarrier我已經到達了屏障，然後目前線程被阻塞。

public class TestCyclicBarrier {
	static CyclicBarrier c=new CyclicBarrier(2);
	public static void main(String[] args) {
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					c.await();//在此處阻塞，等待剩餘的所有任務進入阻塞（到達屏障）即可解除阻塞
				} catch (Exception e) {
				}
				System.out.println(1);
			}
		}).start();
		try {
			c.await();//在此處阻塞，等待剩餘的所有任務進入阻塞（到達屏障）即可解除阻塞
		} catch (Exception e) {
			
		}
		System.out.println(2);
	}

}

注意：如果把new CyclicBarrier(2)修改成new CyclicBarrier(3)，則主線程和子線程會永遠等待，因為沒有第三個線程執行await方法，即沒有第三個線程到達屏障，是以之前到達屏障的兩個線程都不會繼續執行。

CyclicBarrier還提供一個更進階的構造函數CyclicBarrier（int parties，Runnable barrierAction），用于線上程到達屏障時，保證會優先執行barrierAction，友善處理更複雜的業務場景。

public class TestCyclicBarrier1 {
	static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				// TODO Auto-generated method stub
				try {
					c.await();
					System.out.println(2);
				} catch (Exception e) {
					// TODO: handle exception
				}
			}
		}).start();
		c.await();
		System.out.println(1);
	}
	static class A implements Runnable {
		@Override
		public void run() {
			System.out.println(3);
		}
	}
}
/*
 * 輸出結果：
 * 3
 * 2
 * 1
 */

因為CyclicBarrier設定了攔截線程的數量是2，是以必須等代碼中的第一個線程和線程A 都執行完之後，才會繼續執行主線程，是以輸出結果為3 2 1。那麼此時有一個問題，如果阻塞的線程數大于CyclicBarrier的計數器會怎樣？

public class TestCyclicBarrier {
	static CyclicBarrier c=new CyclicBarrier(2);
	public static void main(String[] args) {
		for(int i=1;i<=3;i++){
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					c.await();//在此處阻塞，等待剩餘的所有任務進入阻塞（到達屏障）
				} catch (Exception e) {
				}
				System.out.println(Thread.currentThread().getName());
			}
		}).start();
		}
		try {
			c.await();//在此處阻塞，等待剩餘的所有任務進入阻塞（到達屏障）
		} catch (Exception e) {
			
		}
		System.out.println(2);
	}

}

根據結果可以知道，CyclicBarrier可以自動重置計數器數量，當攔截線程數量為2時會把從阻塞隊列中任意取出兩個解除阻塞并執行，如果還有剩餘的阻塞隊列則會重置計數器，如果剩餘阻塞隊列數量小于計數器則會阻塞運作，也就是說，如果有阻塞隊列數X與計數器N，X%N==0,那麼所有線程都會執行，如果X%N!=0,那麼會有部分線程處于阻塞狀态無法執行。也可以手動調用 reset()方法來進行重置計數器。

CyclicBarrier還提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以獲得Cyclic-Barrier 阻塞的線程數量。isBroken()方法用來了解阻塞的線程是否被中斷。

public class TestCyclicBarrier {
	static CyclicBarrier c=new CyclicBarrier(2);
	public static void main(String[] args) {
		Thread t=new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					c.await();//在此處阻塞，等待剩餘的所有任務進入阻塞（到達屏障）
				} catch (Exception e) {
				}
				System.out.println(Thread.currentThread().getName());
			}
		});
		t.start();
		t.interrupt();
		try {
			c.await();//在此處阻塞，等待剩餘的所有任務進入阻塞（到達屏障）
			System.out.println(2);
		} catch (BrokenBarrierException|InterruptedException e) {
			System.out.println(c.isBroken());
		}
		
	}

}
/*
true
*/

3.控制并發線程數的Semaphore

Semaphore（信号量）是用來控制同時通路特定資源的線程數量，它通過協調各個線程，以保證合理的使用公共資源。換句話說，鎖（Lock鎖或synchronized鎖）在任何時刻隻允許一個任務通路被加鎖的資源，而計數信号量允許n個任務同時通路這個資源，還可以将信号量看作是向外分發使用資源的“許可證”，盡管内部沒有這種許可證對象。

“許可證”的數量是有限的，是以當執有“許可證”的線程數量與“許可證”數量相同時，就會阻止其他線程對共享資源的使用，如果某一個或多個線程使用完共享資源後，就會歸還“許可證”，此時Semaphore（信号量）就會将這些歸還的“許可證”再次分發給阻塞中的線程。通過這種方式就實作了控制線程并發數。

3.1 API

Semaphore（int permits）:構造器，接受一個整型的數字，表示可用的許可證數量。
acquire():線程調用該方法擷取一個許可證來擷取使用共享資源的資格。
release():線程使用完共享資源之後調用方法歸還許可證。
tryAcquire():線程調用該方法嘗試擷取許可證。
int availablePermits()：傳回此信号量中目前可用的許可證數。
int getQueueLength()：傳回正在等待擷取許可證的線程數。
boolean hasQueuedThreads()：是否有線程正在等待擷取許可證。
void reducePermits（int reduction）：減少reduction個許可證，是個protected方法。
Collection getQueuedThreads()：傳回所有等待擷取許可證的線程集合，是個protected方法。

3.2 應用

Semaphore可以用于做流量控制，特别是公用資源有限的應用場景，比如資料庫連接配接。假如有一個需求，要讀取幾萬個檔案的資料，因為都是IO密集型任務，我們可以啟動幾十個線程并發地讀取，但是如果讀到記憶體後，還需要存儲到資料庫中，而資料庫的連接配接數隻有10個，這時我們必須控制隻有10個線程同時擷取資料庫連接配接儲存資料，否則會報錯無法擷取資料庫連接。這個時候，就可以使用Semaphore來做流量控制。

public class TestSemaphore {
	static Semaphore s=new Semaphore(10);
	static int threadNum=30;
	public static void main(String[] args) {
		for(int i=1;i<=30;i++){
			new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					try {
						s.acquire();
						System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"do some work");
						s.release();
					} catch (InterruptedException e) {
						// TODO Auto-generated catch block
						e.printStackTrace();
					}
					
				}
			}).start();
		}
	}
}

4. 線程間交換資料的Exchanger

Exchanger（交換者）是一個用于線程間協作的工具類。Exchanger用于進行線程間的資料交換。它提供一個同步點，在這個同步點，兩個線程可以交換彼此的資料。這兩個線程通過exchange方法交換資料，如果第一個線程先執行exchange()方法，它會一直等待第二個線程也執行exchange方法，當兩個線程都到達同步點時，這兩個線程就可以交換資料，将本線程生産出來的資料傳遞給對方。是以由此可見，Exchanger将會與生産者-消費者模型相關。

其應用場景有：Exchanger可以用于遺傳算法，遺傳算法裡需要選出兩個人作為交配對象，這時候會交換兩人的資料，并使用交叉規則得出2個交配結果。Exchanger也可以用于校對工作，比如我們需要将紙制銀行流水通過人工的方式錄入成電子銀行流水，為了避免錯誤，采用AB崗兩人進行錄入，錄入到Excel之後，系統需要加載這兩個Excel，并對兩個Excel資料進行校對，看看是否錄入一緻。如果兩個線程有一個沒有執行exchange()方法，則會一直等待，如果擔心有特殊情況發生，避免一直等待，可以使用exchange（V x，longtimeout，TimeUnit unit）設定最大等待時長。

public class TestExchanger {
	static Exchanger<String> ex=new Exchanger<String>();
	static ExecutorService service=Executors.newFixedThreadPool(2);
	public static void main(String[] args) {
		service.execute(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				String a="A";
				try {
					ex.exchange(a);
				} catch (InterruptedException e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			}
		});
		service.execute(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				String b="B";
				try {
					String a=ex.exchange(b);
					System.out.println("a錄入的是"+a);
					System.out.println("b錄入的是"+b);
					System.out.println("a與b是否一緻："+a.equalsIgnoreCase(b));
				} catch (InterruptedException e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			}
		});
		service.shutdown();
	}
}

多線程并發工具類

1.等待多線程完成的CountDownLatch

2.同步屏障CyclicBarrier

3.控制并發線程數的Semaphore

3.1 API

3.2 應用

4. 線程間交換資料的Exchanger

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