帶你熟悉3種AQS的線程併發工具的用法

来源:https://www.cnblogs.com/huaweiyun/archive/2023/01/31/17079017.html
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摘要：AQS 的全稱為（AbstractQueuedSynchronizer），AQS 是一個用來構建鎖和同步器的框架，使用 AQS 能簡單且高效地構造出應用廣泛的大量的同步器。 本文分享自華為雲社區《【高併發】AQS中的CountDownLatch、Semaphore與CyclicBarrier核 ...


摘要：AQS 的全稱為（AbstractQueuedSynchronizer），AQS 是一個用來構建鎖和同步器的框架，使用 AQS 能簡單且高效地構造出應用廣泛的大量的同步器。

本文分享自華為雲社區《【高併發】AQS中的CountDownLatch、Semaphore與CyclicBarrier核心用法》，作者： 冰 河。

AQS 的全稱為（AbstractQueuedSynchronizer），AQS 是一個用來構建鎖和同步器的框架，使用 AQS 能簡單且高效地構造出應用廣泛的大量的同步器。本文主要講述AQS中的CountDownLatch、Semaphore與CyclicBarrier核心用法。

CountDownLatch

概述

同步輔助類，通過它可以阻塞當前線程。也就是說，能夠實現一個線程或者多個線程一直等待，直到其他線程執行的操作完成。使用一個給定的計數器進行初始化，該計數器的操作是原子操作，即同時只能有一個線程操作該計數器。

調用該類await()方法的線程會一直阻塞，直到其他線程調用該類的countDown()方法，使當前計數器的值變為0為止。每次調用該類的countDown()方法，當前計數器的值就會減1。當計數器的值減為0的時候，所有因調用await()方法而處於等待狀態的線程就會繼續往下執行。這種操作只能出現一次，因為該類中的計數器不能被重置。如果需要一個可以重置計數次數的版本，可以考慮使用CyclicBarrier類。

CountDownLatch支持給定時間的等待，超過一定的時間不再等待，使用時只需要在await()方法中傳入需要等待的時間即可。此時，await()方法的方法簽名如下：

public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)

使用場景

在某些業務場景中，程式執行需要等待某個條件完成後才能繼續執行後續的操作。典型的應用為並行計算：當某個處理的運算量很大時，可以將該運算任務拆分成多個子任務，等待所有的子任務都完成之後，父任務再拿到所有子任務的運算結果進行彙總。

代碼示例

調用ExecutorService類的shutdown()方法，並不會第一時間內把所有線程全部都銷毀掉，而是讓當前已有的線程全部執行完，之後，再把線程池銷毀掉。

示例代碼如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
@Slf4j
public class CountDownLatchExample {
 private static final int threadCount = 200;
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
 final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
 for (int i = 0; i < threadCount; i++){
 final int threadNum = i;
 exec.execute(() -> {
 try {
 test(threadNum);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }finally {
 countDownLatch.countDown();
 }
 });
 }
 countDownLatch.await();
        log.info("finish");
 exec.shutdown();
 }
 private static void test(int threadNum) throws InterruptedException {
 Thread.sleep(100);
 log.info("{}", threadNum);
 Thread.sleep(100);
 }
}

支持給定時間等待的示例代碼如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
@Slf4j
public class CountDownLatchExample {
 private static final int threadCount = 200;
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
 final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
 for (int i = 0; i < threadCount; i++){
 final int threadNum = i;
 exec.execute(() -> {
 try {
 test(threadNum);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }finally {
 countDownLatch.countDown();
 }
 });
 }
 countDownLatch.await(10, TimeUnit.MICROSECONDS);
        log.info("finish");
 exec.shutdown();
 }
 private static void test(int threadNum) throws InterruptedException {
 Thread.sleep(100);
 log.info("{}", threadNum);
 }
}

Semaphore

概述

控制同一時間併發線程的數目。能夠完成對於信號量的控制，可以控制某個資源可被同時訪問的個數。

提供了兩個核心方法——acquire()方法和release()方法。acquire()方法表示獲取一個許可，如果沒有則等待，release()方法則是在操作完成後釋放對應的許可。Semaphore維護了當前訪問的個數，通過提供同步機制來控制同時訪問的個數。Semaphore可以實現有限大小的鏈表。

使用場景

Semaphore常用於僅能提供有限訪問的資源，比如：資料庫連接數。

代碼示例

每次獲取並釋放一個許可，示例代碼如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class SemaphoreExample {
 private static final int threadCount = 200;
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
 final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
 for (int i = 0; i < threadCount; i++){
 final int threadNum = i;
 exec.execute(() -> {
 try {
 semaphore.acquire(); //獲取一個許可
 test(threadNum);
 semaphore.release(); //釋放一個許可
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 });
 }
 exec.shutdown();
 }
 private static void test(int threadNum) throws InterruptedException {
 log.info("{}", threadNum);
 Thread.sleep(1000);
 }
}

每次獲取並釋放多個許可，示例代碼如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class SemaphoreExample {
 private static final int threadCount = 200;
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
 final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
 for (int i = 0; i < threadCount; i++){
 final int threadNum = i;
 exec.execute(() -> {
 try {
 semaphore.acquire(3); //獲取多個許可
 test(threadNum);
 semaphore.release(3); //釋放多個許可
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 });
 }
        log.info("finish");
 exec.shutdown();
 }
 private static void test(int threadNum) throws InterruptedException {
 log.info("{}", threadNum);
 Thread.sleep(1000);
 }
}

假設有這樣一個場景，併發太高了，即使使用Semaphore進行控制，處理起來也比較棘手。假設系統當前允許的最高併發數是3，超過3後就需要丟棄，使用Semaphore也能實現這樣的場景，示例代碼如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class SemaphoreExample {
 private static final int threadCount = 200;
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
 final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
 for (int i = 0; i < threadCount; i++){
 final int threadNum = i;
 exec.execute(() -> {
 try {
 //嘗試獲取一個許可，也可以嘗試獲取多個許可，
 //支持嘗試獲取許可超時設置，超時後不再等待後續線程的執行
 //具體可以參見Semaphore的源碼
 if (semaphore.tryAcquire()) { 
 test(threadNum);
 semaphore.release(); //釋放一個許可
 }
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 });
 }
        log.info("finish");
 exec.shutdown();
 }
 private static void test(int threadNum) throws InterruptedException {
 log.info("{}", threadNum);
 Thread.sleep(1000);
 }
}

CyclicBarrier

概述

是一個同步輔助類，允許一組線程相互等待，直到到達某個公共的屏障點，通過它可以完成多個線程之間相互等待，只有當每個線程都準備就緒後，才能各自繼續往下執行後面的操作。

與CountDownLatch有相似的地方，都是使用計數器實現，當某個線程調用了CyclicBarrier的await()方法後，該線程就進入了等待狀態，而且計數器執行加1操作，當計數器的值達到了設置的初始值，調用await()方法進入等待狀態的線程會被喚醒，繼續執行各自後續的操作。CyclicBarrier在釋放等待線程後可以重用，所以，CyclicBarrier又被稱為迴圈屏障。

使用場景

可以用於多線程計算數據，最後合併計算結果的場景

CyclicBarrier與CountDownLatch的區別

  • CountDownLatch的計數器只能使用一次，而CyclicBarrier的計數器可以使用reset()方法進行重置，並且可以迴圈使用
  • CountDownLatch主要實現1個或n個線程需要等待其他線程完成某項操作之後，才能繼續往下執行，描述的是1個或n個線程等待其他線程的關係。而CyclicBarrier主要實現了多個線程之間相互等待，直到所有的線程都滿足了條件之後，才能繼續執行後續的操作，描述的是各個線程內部相互等待的關係。
  • CyclicBarrier能夠處理更複雜的場景，如果計算發生錯誤，可以重置計數器讓線程重新執行一次。
  • CyclicBarrier中提供了很多有用的方法，比如：可以通過getNumberWaiting()方法獲取阻塞的線程數量，通過isBroken()方法判斷阻塞的線程是否被中斷。

代碼示例

示例代碼如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
@Slf4j
public class CyclicBarrierExample {
 private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
 for (int i = 0; i < 10; i++){
 final int threadNum = i;
 Thread.sleep(1000);
 executorService.execute(() -> {
 try {
 race(threadNum);
 } catch (Exception e) {
 e.printStackTrace();
 }
 });
 }
executorService.shutdown();
 }
 private static void race(int threadNum) throws Exception{
 Thread.sleep(1000);
 log.info("{} is ready", threadNum);
 cyclicBarrier.await();
 log.info("{} continue", threadNum);
 }
}

設置等待超時示例代碼如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.*;
@Slf4j
public class CyclicBarrierExample {
 private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
 for (int i = 0; i < 10; i++){
 final int threadNum = i;
 Thread.sleep(1000);
 executorService.execute(() -> {
 try {
 race(threadNum);
 } catch (Exception e) {
 e.printStackTrace();
 }
 });
 }
 executorService.shutdown();
 }
 private static void race(int threadNum) throws Exception{
 Thread.sleep(1000);
 log.info("{} is ready", threadNum);
 try{
 cyclicBarrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
 }catch (BrokenBarrierException | TimeoutException e){
 log.warn("BarrierException", e);
 }
 log.info("{} continue", threadNum);
 }
}

在聲明CyclicBarrier的時候，還可以指定一個Runnable，當線程達到屏障的時候，可以優先執行Runnable中的方法。

示例代碼如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
@Slf4j
public class CyclicBarrierExample {
 private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
 log.info("callback is running");
 });
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
 for (int i = 0; i < 10; i++){
 final int threadNum = i;
 Thread.sleep(1000);
 executorService.execute(() -> {
 try {
 race(threadNum);
 } catch (Exception e) {
 e.printStackTrace();
 }
 });
 }
 executorService.shutdown();
 }
 private static void race(int threadNum) throws Exception{
 Thread.sleep(1000);
 log.info("{} is ready", threadNum);
 cyclicBarrier.await();
 log.info("{} continue", threadNum);
 }
}

 

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