[PHP知识库]并发编程-06.Semaphore 和 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 和 Executors

Semaphore

Semaphore 字面意思是信号量的意思，它的作用是控制访问特定资源的线程数目，通过协调各个线程，以保证合理的使用资源。底层依赖 AQS 的状态 State，是在生产当中比较常用的一个工具类。

使用场景

常用于资源有明确访问数量限制的场景，常用于限流，可实现熔断、降级等处理 。

例如：数据库连接池，连接不能超过限制数量，当连接达到了限制数量后，后面的线程只能排队等前面的线程释放了数据库连接才能获得数据库连接。

例如：某些排队场景，能够容纳同时在线人数有限，超过后只能排队等待。

例如：资源访问，服务限流(Hystrix里限流就有基于信号量方式)，可以使用 tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 方法，在超时做其他处理。

Semaphore常用方法说明

使用实例

@Slf4j
public class SemaphoreRunner {
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
        for (int i=0;i<5;i++){
            new Thread(new Task(semaphore,"SemaphoreRunner+"+i)).start();
        }
    }

    static class Task extends Thread {
        Semaphore semaphore;

        public Task(Semaphore semaphore,String name){
            this.semaphore = semaphore;
            this.setName(name);
        }

        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire(); //阻塞并获取许可（获取公共资源）
                log.info(Thread.currentThread().getName()+"完成acquire()");
                Thread.sleep(5000);
                log.info(Thread.currentThread().getName()+"开始释放许可release()",System.currentTimeMillis());
                semaphore.release(); //释放许可（释放公共资源）
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
运行结果
--------------------------------------------------------------------------------
14:16:09.436 [Thread-3] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-3完成acquire()
14:16:09.436 [Thread-1] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-1完成acquire()
14:16:14.451 [Thread-3] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-3开始释放许可release()
14:16:14.451 [Thread-1] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-1开始释放许可release()
14:16:14.457 [Thread-5] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-5完成acquire()
14:16:14.457 [Thread-7] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-7完成acquire()
14:16:19.461 [Thread-7] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-7开始释放许可release()
14:16:19.461 [Thread-5] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-5开始释放许可release()
14:16:19.462 [Thread-9] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-9完成acquire()
14:16:24.476 [Thread-9] INFO  my.SemaphoreRunner - Thread-9开始释放许可release()

部分源码解析

构造方法：

/**
 * 创建给定许可数量的非公平的 Semaphore
 */
public Semaphore(int permits) {
	sync = new NonfairSync(permits);
}
/**
 * 创建给定许可数量的非公平的或公平的 Semaphore
 */
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
	sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

获取许可：

/**
 * Semaphore.java
 * 获取给定数量的许可，如果没有阻塞直到有足够数量的许可可用，或者线程被中断
 * 抛出InterruptedException
 */
public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
    // 参数不能小于零，否则抛出异常
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}

/**
 * AQS类
 * 首先检查中断状态，然后至少调用一次 tryacquireShared，成功时返回。
 * 否则，线程将被排队，可能会重复阻塞和解除阻塞，调用 tryacquireShared，
 * 直到成功或线程被中断  
 */
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
    // 被中断抛出 InterruptedException
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //尝试获取许可，arg为获取许可个数，当可用许可数减当前许可数结果小于 0,则创建一个节点加入阻塞队列，挂起当前线程。
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

/**
 * Semaphore.java
 * 非公平版本调用nonfairTryAcquireShared(acquires)
 * 该方法与 tryAcquireShared() 仅少了hasQueuedPredecessors()判断
 */
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
	return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
/**
 * Semaphore.java
 * 共享模式下尝试获取资源,成功,修改state 返回值 >=0 ,失败 返回值 < 0 执行后续阻塞逻辑
 */
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    // 自旋，直到 当前信号量 - 所需信号量 < 0 或 CAS 成功（有足够资源，此时 返回值 >= 0）
    for (;;) {
        // 判断队列中是否有排队的线程，具体逻辑解释请参考前ReentrantLock那篇文章
        if (hasQueuedPredecessors()) // 非公平版本无此步骤
            return -1;
        int available = getState(); // 信号量
        int remaining = available - acquires; // 可用信号量 - 所需信号量
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

/**
 * AQS类
 * 共享模式下，信号量不足时执行，将线程加入阻塞队列排队
 * 带有超时的方法仅在此方法中断加了超时判断，不做分析
 * 1、创建节点，加入阻塞队列，
 * 2、重组双向链表的head，tail节点关系，清空无效节点
 * 3、挂起当前节点线程
 * @param arg
 * @throws InterruptedException
 */
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    // 将节点加入阻塞队列，具体逻辑解释请参考前ReentrantLock那篇文章
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        // 自旋尝试获取资源
        for (;;) {
            //获得当前节点pre节点(具体原因解释请参考前ReentrantLock那篇文章)
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
           		// 如果pre节点是头节点，再次尝试获取信号量
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    // 获取信号量成功，广播告诉后面的节点
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 重组双向链表，清空无效节点，挂起当前线程
            // 具体逻辑解释请参考前ReentrantLock那篇文章
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

释放许可：

/**
 * Semaphore.java
 * 释放给定数量的许可，将它们返回给信号量
 */
public void release(int permits) {
    // 参数传的不对，抛异常
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.releaseShared(permits);
}
/**
 * 共享模式下,如果 tryReleaseShared() 返回true，
 * 则通过解除阻塞一个或多个线程
 */
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}
/**
 * 尝试返还许可（增加信号量 state）
 */
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int current = getState();
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}
/**
 * 共享模式的释放动作——发出后续信号并确保传播。修改队列 waitStatus
 * (注意:对于独占模式，如果需要信号，释放相当于调用 head 的 unparkSuccessor())
 * 具体逻辑解释请参考前ReentrantLock那篇文章
 */
private void doReleaseShared() {  
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

CountDownLatch

使一个线程等待其他线程完成各自的工作后再执行。例如，应用程序的主线程希望在负责启动框架服务的线程已经启动所有的框架服务之后再执行。构

使用场景

Zookeeper分布式锁、Jmeter模拟高并发等

CountDownLatch 原理

CountDownLatch是通过一个计数器来实现的，计数器的初始值为线程的数量。每当 一个线程完成了自己的任务后，计数器的值就会减1。当计数器值到达0时，它表示所有的 线程已经完成了任务，然后在闭锁上等待的线程就可以恢复执行任务。

造器中的计数值（count）实际上就是闭锁需要等待的线程数量这个值只能被设置一次，而且CountDownLatch没有提供任何机制去重新设置这个计数值。

CountDownLatch方法说明（所有方法）

1. 开始执行前等待n个线程完成各自任务
2. 实现最大的并行性：创建一个初始计数为1 的CountDownLatch，并让所有线程都在这个锁上等待，最后调用一次countDown() 方法就可以让所有的等待线程同时恢复执行。
3. **死锁检测：**使用n个线程访问共享资源，在每次测试阶段的线程数目是不同的，并尝试产生死锁

使用实例

@Slf4j
public class CountDownLatchRunner {
    public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);

        new Thread(new WashTheTeapot(countDownLatch)).start();
        new Thread(new HeatUpWater(countDownLatch)).start();
        // 等待线程池中的2个任务执行完毕
        try {
            countDownLatch.await();
            new Thread(new MakeTea()).start();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 洗茶壶 5 秒
     */
    static class WashTheTeapot implements Runnable {
        private  CountDownLatch countDownLatch;

        public WashTheTeapot(CountDownLatch countDownLatch) {
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }

        @Override
        public void run() {
            log.info("开始洗茶壶...");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                log.info("茶壶清洗结束...");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (countDownLatch != null)
                    countDownLatch.countDown(); // 完成任务，修改计数器，否则不会停止等待
            }
        }
    }

    /**
     * 烧水 8 秒
     */
    static class HeatUpWater implements Runnable {
        private  CountDownLatch countDownLatch;

        public HeatUpWater(CountDownLatch countDownLatch) {
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }

        @Override
        public void run() {
            log.info("开始烧水...");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(8);
                log.info("水烧开了...");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (countDownLatch != null)
                    countDownLatch.countDown(); // 完成任务，修改计数器，否则不会停止等待
            }
        }
    }

    /**
     * 泡茶 5 秒
     */
    static class MakeTea implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            log.info("开始泡茶...");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                log.info("茶泡好了");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
运行结果
-----------------------------------------------------------
17:20:37.921 [Thread-1]  my.CountDownLatchRunner - 开始烧水...
17:20:37.921 [Thread-0]  my.CountDownLatchRunner - 开始洗茶壶...
17:20:42.946 [Thread-0]  my.CountDownLatchRunner - 茶壶清洗结束...
17:20:45.942 [Thread-1]  my.CountDownLatchRunner - 水烧开了...
17:20:45.946 [Thread-2]  my.CountDownLatchRunner - 开始泡茶...
17:20:50.956 [Thread-2]  my.CountDownLatchRunner - 茶泡好了

CyclicBarrier

栅栏屏障，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会打开，所有被屏障拦截的线程才会继续运行。

常用方法

应用场景

1. 模拟并发

2. 多线程计算数据，最后合并计算结果。例如用一个 Excel 保存了用户 所有银行流水，每个 Sheet 保存一个账户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个 Sheet 里的银行流水，都执行完之后，得到每个 Sheet 的日均银行流水，最后，再用这些线程的计算结果，计算出整个 Excel 的日

   均银行流水。

使用实例

@Slf4j
public class CyclicBarrierRunner {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                log.info("所有线程都到达了屏蔽点,如果线程执行完毕，没有线程再到达屏障，可结束！");
            }
        });
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            int j = i;
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    log.info("Thread-{}被创建...",String.valueOf(j));
                    try {
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        }
    }
}
运行结果
-----------------------------------------------------------
17:28:47.972 [Thread-0] INFO   my.CyclicBarrierRunner - Thread-0被创建...
17:28:49.970 [Thread-1] INFO   my.CyclicBarrierRunner - Thread-1被创建...
17:28:51.986 [Thread-2] INFO   my.CyclicBarrierRunner - Thread-2被创建...
17:28:51.986 [Thread-2] INFO   my.CyclicBarrierRunner - 所有线程都到达了屏蔽点,如果线程执行完毕，没有线程再到达屏障，可结束！
17:28:53.994 [Thread-3] INFO   my.CyclicBarrierRunner - Thread-3被创建...
17:28:56.003 [Thread-4] INFO   my.CyclicBarrierRunner - Thread-4被创建...
17:28:58.011 [Thread-5] INFO   my.CyclicBarrierRunner - Thread-5被创建...
17:28:58.011 [Thread-5] INFO   my.CyclicBarrierRunner - 所有线程都到达了屏蔽点,如果线程执行完毕，没有线程再到达屏障，可结束！

Executors

主要用来创建线程池，代理了线程池的创建，使得你的创建入口参数变得简单 。十分的鸡肋，一帮不使用。线程的资源时十分宝贵的，不能随便乱用，一般需要使用时都是直接自己手动创建线程池。

// 创建举例
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(3);

四种线程池