多个线程之间如何协同

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码农小胖哥 发表于 2022/07/07 22:47:45 2022/07/07
【摘要】 1. CountDownLatch 计数器 在多线程协作完成任务的时候,有时候需要等待其他线程完成任务后,主线程才能继续执行,我们可以使用 Thread 类的 join() 方法,让主线程等待被 join 的线程执行完毕主线程再执行。当然也可以通过线程的消息通信实现,但是今天我们 的并发包...

1. CountDownLatch 计数器

在多线程协作完成任务的时候,有时候需要等待其他线程完成任务后,主线程才能继续执行,我们可以使用 Thread 类的 join() 方法,让主线程等待被 join 的线程执行完毕主线程再执行。当然也可以通过线程的消息通信实现,但是今天我们 的并发包里面有一个工具,十分方便的完成这个任务。

举个通俗的例子,二狗子带兵打仗,一共 6 个小兵仔,没有二狗子将军的号令,是不敢贸然出击,出击就变炮灰了。所以二狗子一声令下,所有的小兵仔就发了疯的嘴巴喊着冲鸭,去杀敌。

小兵仔就像 6 个线程,二狗子就像是主线程,当线程调用 CountDownLatch.countDown() 方法时就会对计数器的值 -1,直到计数器的值为 0 的时候, 调用 await 方法的线程 才能继续往下执行。

CountDownLatch 的重要方法

public CountDownLatch(int count)
  

构造方法传入一个 整形数字 N,之后调用 countDown() 方法会对 N 减 1,直到 N = 0 ,当前调用 await 方法的线程继续执行,否则会被阻塞。

CountDownLatch 的方法不是很多,将它们一个个列举出 :

  1. await() throws InterruptedException:调用该方法的线程等到构造方法传入的 N 减到 0 的时候,才能继续往下执行;

  2. await(long timeout, TimeUnit unit):与上面的 await 方法功能一致,只不过这里有了时间限制,调用该方法的线程等到指定的 timeout 时间后,不管 N 是否减至为 0,都会继续往下执行;

  3. countDown():使 CountDownLatch 初始值 N 减 1;

  4. long getCount():获取当前 CountDownLatch 维护的值;

1.1 听我号令攻城

二狗子将军带兵攻城,定义我们的 小兵仔


   
    
     
      
     
     
      
       publicclass Soldier implements Runnable {
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           privatefinal CountDownLatch doneSignal;
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           public Soldier(CountDownLatch doneSignal) {
      
     
    
     
      
     
     
      
               this.doneSignal = doneSignal;
      
     
    
     
      
     
     
      
           }
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           @Override
      
     
    
     
      
     
     
      
           public void run() {
      
     
    
     
      
     
     
      
               try {
      
     
    
     
      
     
     
      
                   System.out.println("name = " + Thread.currentThread().getName() + "上阵杀敌,冲鸭");
      
     
    
     
      
     
     
      
               } finally {
      
     
    
     
      
     
     
                  // 对计数器 - 1
      
     
    
     
      
     
     
      
                   doneSignal.countDown();
      
     
    
     
      
     
     
      
               }
      
     
    
     
      
     
     
      
           }
      
     
    
     
      
     
     
      
       }
      
     
   
  

接着模拟我们的二狗子发号施令


   
    
     
      
     
     
      
       publicclass Commander {
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
              int n = 6;
      
     
    
     
      
     
     
              // 初始化计数器为 6
      
     
    
     
      
     
     
      
               CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(n);
      
     
    
     
      
     
     
      
               ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(n);
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
              //模拟 6 个线程
      
     
    
     
      
     
     
              for (int i = 0; i < n; ++i) {
      
     
    
     
      
     
     
      
                   e.execute(new Soldier("doneSignal" + i, doneSignal));
      
     
    
     
      
     
     
      
               }
      
     
    
     
      
     
     
      
               System.out.println("所有士兵就位,听我号令");
      
     
    
     
      
     
     
              // 当 doneSignal 每次执行 countDown - 1 操作,变成了 0 之后所有线程唤醒执行
      
     
    
     
      
     
     
      
               doneSignal.await();
      
     
    
     
      
     
     
      
               System.out.println("攻城成功,回去邀功领赏吃羊蝎子补一补");
      
     
    
     
      
     
     
      
               e.shutdown();
      
     
    
     
      
     
     
      
           }
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
       }
      
     
   
  

1.2 跑步比赛,计时开始

运动员进行跑步比赛时,假设有 6 个运动员参与比赛,裁判员在终点会为这 6 个运动员分别计时,可以想象没当一个运动员到达终点的时候,对于裁判员来说就少了一个计时任务。

直到所有运动员都到达终点了,裁判员的任务也才完成。这 6 个运动员可以类比成 6 个线程,当线程调用 CountDownLatch.countDown 方法时就会对计数器的值减一,直到计数器的值为 0 的时候,裁判员(调用 await 方法的线程)才能继续往下执行。


   
    
     
      
     
     
      
       publicclass Running {
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      
     
    
     
      
     
     
              // 裁判开始信号
      
     
    
     
      
     
     
      
               CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
              int number = 4;
      
     
    
     
      
     
     
              // 运动员跑步完成信号
      
     
    
     
      
     
     
      
               CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(number);
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
               ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(number);
      
     
    
     
      
     
     
              for (int i = 0; i < number; i++) {
      
     
    
     
      
     
     
      
                   finalint currnt = i;
      
     
    
     
      
     
     
      
                   executorService.execute(() -> {
      
     
    
     
      
     
     
      
                       try {
      
     
    
     
      
     
     
                          // 让所有的运动员等待阻塞在这里,直到信号发出
      
     
    
     
      
     
     
      
                           startSignal.await();
      
     
    
     
      
     
     
      
                           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "迈开步子使劲跑");
      
     
    
     
      
     
     
      
                           TimeUnit.SECONDS.sleep(currnt);
      
     
    
     
      
     
     
      
                       } catch (InterruptedException e) {
      
     
    
     
      
     
     
      
                           e.printStackTrace();
      
     
    
     
      
     
     
      
                       } finally {
      
     
    
     
      
     
     
                          // 跑完后
      
     
    
     
      
     
     
      
                           doneSignal.countDown();
      
     
    
     
      
     
     
      
                           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到达终点");
      
     
    
     
      
     
     
      
                       }
      
     
    
     
      
     
     
      
                   });
      
     
    
     
      
     
     
      
               }
      
     
    
     
      
     
     
      
               System.out.println("裁判员发号施令啦!!!");
      
     
    
     
      
     
     
      
               startSignal.countDown();
      
     
    
     
      
     
     
              //等待所有的运动员跑完
      
     
    
     
      
     
     
      
               doneSignal.await();
      
     
    
     
      
     
     
      
               System.out.println("所有运动员到达终点,比赛结束!");
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
               executorService.shutdown();
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           }
      
     
    
     
      
     
     
      
       }
      
     
   
  

2. 循环栅栏:CyclicBarrier

和 CountDownLatch 一样具有等待计数的功能,但是相比于 CountDownLatch 功能更加强大。

6eccd3c7cd3f593f75a759f2e7db9e26.png

还是一个通俗的例子,马拉松运动,很多运动员,但是跑道有限每次只允许 6 个运动员开跑,每次等到 6 个就开跑,然后下一队,一直循环....

在比赛开始时,就需要 6 个运动员在比赛开始的时候都站在起点了,裁判员吹哨后才能开始跑步。跑道起点就相当于“barrier”,是临界点,而这 6 个运动员就类比成线程的话,就是这 6 个线程都必须到达指定点了,意味着凑齐了一波,然后才能继续执行,否则每个线程都得阻塞等待,直至凑齐一波即可。cyclic 是循环的意思,也就是说 CyclicBarrier 当多个线程凑齐了一波之后,仍然有效,可以继续凑齐下一波。


   
    
     
      
     
     
      
       //等到所有的线程都到达指定的临界点
      
     
    
     
      
     
     
      
       await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
       //与上面的await方法功能基本一致,只不过这里有超时限制,阻塞等待直至到达超时时间为止
      
     
    
     
      
     
     
      
       await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException,
      
     
    
     
      
     
     
      
       BrokenBarrierException, TimeoutException
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
       //获取当前有多少个线程阻塞等待在临界点上
      
     
    
     
      
     
     
      
       int getNumberWaiting()
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
       //用于查询阻塞等待的线程是否被中断
      
     
    
     
      
     
     
      
       boolean isBroken()
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
       //将屏障重置为初始状态。如果当前有线程正在临界点等待的话,将抛出BrokenBarrierException。
      
     
    
     
      
     
     
      
       void reset()
      
     
   
  

另外需要注意的是,CyclicBarrier 提供了这样的构造方法:

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
  

可以用来,当指定的线程都到达了指定的临界点的时,接下来执行的操作可以由 barrierAction 传入即可。一个回调方式。

马拉松代码示例


   
    
     
      
     
     
      
       publicclass CyclicBarrierDemo {
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           private CyclicBarrier cyclicBarrier;
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           private ExecutorService executorService;
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           public CyclicBarrierDemo(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
      
     
    
     
      
     
     
      
               this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
      
     
    
     
      
     
     
      
               executorService = Executors.newFixedThreadPool(cyclicBarrier.getParties());
      
     
    
     
      
     
     
      
           }
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           public void startRun() {
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
              for (int i = 0; i < cyclicBarrier.getParties() * 3; i++) {
      
     
    
     
      
     
     
                  int current = i;
      
     
    
     
      
     
     
      
                   executorService.execute(() -> {
      
     
    
     
      
     
     
      
                       try {
      
     
    
     
      
     
     
      
                           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运动员,准备就绪");
      
     
    
     
      
     
     
                          // 每个运动员执行到这就会 对 N - 1,变为 0 则放一波线程运行,然后重置 N
      
     
    
     
      
     
     
      
                           cyclicBarrier.await();
      
     
    
     
      
     
     
      
                           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运动员,开跑");
      
     
    
     
      
     
     
      
                           TimeUnit.SECONDS.sleep(current);
      
     
    
     
      
     
     
      
                       } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
      
     
    
     
      
     
     
      
                           e.printStackTrace();
      
     
    
     
      
     
     
      
                       }
      
     
    
     
      
     
     
      
                   });
      
     
    
     
      
     
     
      
               }
      
     
    
     
      
     
     
      
               executorService.shutdown();
      
     
    
     
      
     
     
      
           }
      
     
    
     
      
     
     
      
       }
      
     
   
  

单元测试


   
    
     
      
     
     
      
       publicclass CyclicBarrierDemoTest {
      
     
    
     
      
     
     
       
      
     
    
     
      
     
     
      
           @Test
      
     
    
     
      
     
     
      
           public void testRun() throws InterruptedException {
      
     
    
     
      
     
     
      
               CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4, () -> System.out.println("所有运动员准备就绪,裁判发令..."));
      
     
    
     
      
     
     
      
               CyclicBarrierDemo cyclicBarrierDemo = new CyclicBarrierDemo(cyclicBarrier);
      
     
    
     
      
     
     
      
               cyclicBarrierDemo.startRun();
      
     
    
     
      
     
     
      
               Thread.currentThread().join();
      
     
    
     
      
     
     
      
           }
      
     
    
     
      
     
     
      
       }
      
     
   
  

3. CountDownLatch 与 CyclicBarrier 的比较

CountDownLatch 与 CyclicBarrier 都是用于控制并发的工具类,都可以理解成维护的就是一个计数器,但是这两者还是各有不同侧重点的:

  1. 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;而 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;CountDownLatch 强调一个线程等多个线程完成某件事情。CyclicBarrier 是多个线程互等,等大家都完成,再携手共进。

  2. 调用 CountDownLatch 的 countDown 方法后,当前线程并不会阻塞,会继续往下执行;而调用 CyclicBarrier 的 await 方法,会阻塞当前线程,直到 CyclicBarrier 指定的线程全部都到达了指定点的时候,才能继续往下执行;

  3. CountDownLatch 方法比较少,操作比较简单,而 CyclicBarrier 提供的方法更多,比如能够通过 getNumberWaiting(),isBroken()这些方法获取当前多个线程的状态,并且 CyclicBarrier 的构造方法可以传入 barrierAction,指定当所有线程都到达时执行的业务功能;

  4. CountDownLatch 是不能复用的,而 CyclicLatch 是可以复用的。

4.总结

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 是 Java 并发包提供的两个非常易用的线程同步工具类,这两个工具类用法的区别在这里还是有必要再强调一下:

CountDownLatch 主要用来解决一个线程等待多个线程的场景,可以类比旅游团团长要等待所有的游客到齐才能去下一个景点;

CyclicBarrier 是一组线程之间互相等待,更像是几个驴友之间不离不弃。除此之外 CountDownLatch 的计数器是不能循环利用的,也就是说一旦计数器减到 0,再有线程调用 await(),该线程会直接通过。

CyclicBarrier 的计数器是可以循环利用的,而且具备自动重置的功能,一旦计数器减到 0 会自动重置到你设置的初始值。除此之外,CyclicBarrier 还可以设置回调函数,可以说是功能丰富。

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文章来源: felord.blog.csdn.net,作者:码农小胖哥,版权归原作者所有,如需转载,请联系作者。

原文链接:felord.blog.csdn.net/article/details/125650504

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