Java并发包之闭锁/栅栏/信号量

二、同步工具类详解

1、Semaphore信号量：跟锁机制存在一定的相似性，semaphore也是一种锁机制，所不同的是，reentrantLock是只允许一个线程获得锁，而信号量持有多个许可(permits)，允许多个线程获得许可并执行。可以用来控制同时访问某个特定资源的操作数量，或者同时执行某个指定操作的数量。

示例代码：

 5 public class TIJ_semaphore {
 6     public static void main(String[] args) {
 7         ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
 8         final Semaphore semp = new Semaphore(5); // 5 permits
 9 
10         for (int index = 0; index < 20; index++) {
11             final int NO = index;
12             Runnable run = new Runnable() {
13                 public void run() {
14                     try {
                           // if 1 permit avaliable, thread will get a permits and go; if no permit avaliable, thread will block until 1 avaliable
15                         semp.acquire(); 
16                         System.out.println("Accessing: " + NO);
17                         Thread.sleep((long) (10000);
18                         semp.release();
19                     } catch (InterruptedException e) {
20                     }
21                 }
22             };
23             exec.execute(run);
24         }
25         exec.shutdown();
26     }

2、CountDownLatch闭锁：允许一个或多个线程一直等待，直到其他线程的操作执行完后再执行。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。

主要方法：
1. CountDownLatch.await()：将某个线程阻塞住，直到计数器count=0才恢复执行。
2. CountDownLatch.countDown()：将计数器count减1。

使用场景：
1. 实现最大的并行性：有时我们想同时启动多个线程，实现最大程度的并行性。例如，我们想测试一个单例类。如果我们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，那么我们可以很轻松地完成测试。我们只需调用一次countDown()方法就可以让所有的等待线程同时恢复执行。
2. 开始执行前等待n个线程完成各自任务：例如应用程序启动类要确保在处理用户请求前，所有N个外部系统已经启动和运行了。
3. 死锁检测：一个非常方便的使用场景是，你可以使用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。
4. 计算并发执行某个任务的耗时。

示例代码：

public class CountDownLatchTest {  

    public void timeTasks(int nThreads, final Runnable task) throws InterruptedException{  
        final CountDownLatch startGate = new CountDownLatch(1);  
        final CountDownLatch endGate = new CountDownLatch(nThreads);  

        for(int i = 0; i < nThreads; i++){  
            Thread t = new Thread(){  
                public void run(){  
                    try{  
                        startGate.await();  
                        try{  
                            task.run();  
                        }finally{  
                            endGate.countDown();  
                        }  
                    }catch(InterruptedException ignored){  

                    }  

                }  
            };  
            t.start();  
        }  

        long start = System.nanoTime();  
        System.out.println("打开闭锁");  
        startGate.countDown();  
        endGate.await();  
        long end = System.nanoTime();  
        System.out.println("闭锁退出，共耗时" + (end-start));  
    }  

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{  
        CountDownLatchTest test = new CountDownLatchTest();  
        test.timeTasks(5, test.new RunnableTask());  
    }  

    class RunnableTask implements Runnable{  

        @Override  
        public void run() {  
            System.out.println("当前线程为：" + Thread.currentThread().getName());  

        }     
    }  

执行结果为：  
打开闭锁  
当前线程为：Thread-0  
当前线程为：Thread-3  
当前线程为：Thread-2  
当前线程为：Thread-4  
当前线程为：Thread-1  
闭锁退出，共耗时1109195

3、CyclicBarrier栅栏：用于阻塞一组线程直到某个事件发生。所有线程必须同时到达栅栏位置才能继续执行下一步操作，且能够被重置以达到重复利用。而闭锁是一次性对象，一旦进入终止状态，就不能被重置。

示例代码：

public class CyclicBarrierTest {
    private final CyclicBarrier barrier;
    private final Worker[] workers;

    public CyclicBarrierTest(){
        int count = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
        this.barrier = new CyclicBarrier(count,
                new Runnable(){

                    @Override
                    public void run() {
                        System.out.println("所有线程均到达栅栏位置，开始下一轮计算");
                    }

        });
        this.workers = new Worker[count];
        for(int i = 0; i< count;i++){
            workers[i] = new Worker(i);
        }
    }
    private class Worker implements Runnable{
        int i;

        public Worker(int i){
            this.i = i;
        }

        @Override
        public void run() {
            for(int index = 1; index < 3;index++){
                System.out.println("线程" + i + "第" + index + "次到达栅栏位置，等待其他线程到达");
                try {
                    //注意是await,而不是wait
                    barrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    return;
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                    return;
                }
            }
        }

    }

    public void start(){
        for(int i=0;i<workers.length;i++){
            new Thread(workers[i]).start();
        }
    }

    public static void main(String[] args){
        new CyclicBarrierTest().start();
    }
}

执行结果为：  
线程0第1次到达栅栏位置，等待其他线程到达  
线程1第1次到达栅栏位置，等待其他线程到达  
线程2第1次到达栅栏位置，等待其他线程到达  
线程3第1次到达栅栏位置，等待其他线程到达  
所有线程均到达栅栏位置，开始下一轮计算  
线程3第2次到达栅栏位置，等待其他线程到达  
线程2第2次到达栅栏位置，等待其他线程到达  
线程0第2次到达栅栏位置，等待其他线程到达  
线程1第2次到达栅栏位置，等待其他线程到达  
所有线程均到达栅栏位置，开始下一轮计算