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并发编程系列教程（07） - 线程池原理分析（一）

2023-11-07 19
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简介： 并发编程系列教程（07） - 线程池原理分析（一）

本文主要讲解并发包相关的内容，示例代码已经上传到Github，有兴趣的同学可以下载来看看：https://github.com/ylw-github/Java-ThreadDemo

1. CountDownLatch（计数器）

CountDownLatch 类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能。

比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。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。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",子线程开始执行...");
                countDownLatch.countDown();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",子线程结束执行...");
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",子线程开始执行...");
                countDownLatch.countDown();//计数器值每次减去1
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",子线程结束执行...");
            }
        }).start();
        countDownLatch.await();// 減去为0,恢复任务继续执行
        System.out.println("两个子线程执行完毕....");
        System.out.println("主线程继续执行.....");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main,i:" + i);
        }
    }
}

运行结果：

2. CyclicBarrier（屏障）

  1. CyclicBarrier 初始化时规定一个数目，然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。当线程数达到了这个数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。
  2. CyclicBarrier 就象它名字的意思一样，可看成是个障碍， 所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。
  3. CyclicBarrier 初始时还可带一个Runnable的参数， 此Runnable任务在CyclicBarrier的数目达到后，所有其它线程被唤醒前被执行。

示例代码：

package com.ylw.threadpool;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class CyclicBarrierDemo {
    public static class Writer extends Thread {
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
            this.cyclicBarrier=cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + ",正在写入数据");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + ",写入数据成功.....");
            try {
                cyclicBarrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有线程执行完毕..........");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Writer writer = new Writer(cyclicBarrier);
            writer.start();
        }
    }
}

运行结果：

3. Semaphore（计数信号量）

Semaphore 是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值，基于此，多个线程竞争获取许可信号，做自己的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。

Semaphore 可以用来构建一些对象池，资源池之类的，比如数据库连接池，我们也可以创建计数为1的Semaphore，将其作为一种类似互斥锁的机制，这也叫二元信号量，表示两种互斥状态。它的用法如下：

availablePermits函数；//用来获取当前可用的资源数量
wc.acquire(); //申请资源
wc.release();// 释放资源

// 创建一个计数阈值为5的信号量对象  
// 只能5个线程同时访问  
Semaphore semp = new Semaphore(5);  
try {  
   // 申请许可  
   semp.acquire();  
   try {  
       // 业务逻辑  
   } catch (Exception e) {  
   } finally {  
       // 释放许可  
       semp.release();  
   }  
} catch (InterruptedException e) {  
}

案例：

一个厕所只有3个坑位，但是有10个人来上厕所，那怎么办？假设10的人的编号分别为1-10，并且1号先到厕所，10号最后到厕所。那么1-3号来的时候必然有可用坑位，顺利如厕，4号来的时候需要看看前面3人是否有人出来了，如果有人出来，进去，否则等待。同样的道理，4-10号也需要等待正在上厕所的人出来后才能进去，并且谁先进去这得看等待的人是否有素质，是否能遵守先来先上的规则。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class SemaphoreDemo {
    public static class ThradDemo001 extends Thread {
        private String name;
        private Semaphore wc;
        public ThradDemo001(String name, Semaphore wc) {
            this.name = name;
            this.wc = wc;
        }
        @Override
        public void run() {
            // 剩下的资源
            int availablePermits = wc.availablePermits();
            if (availablePermits > 0) {
                System.out.println(name + "天助我也，终于有茅坑了.....");
            } else {
                System.out.println(name + "怎么没有茅坑了...");
            }
            try {
                // 申请资源
                wc.acquire();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
            System.out.println(name + "终于上厕所啦.爽啊" + ",剩下厕所:" + wc.availablePermits());
            try {
                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }
            System.out.println(name + "厕所上完啦!");
            // 释放资源
            wc.release();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            ThradDemo001 thradDemo001 = new ThradDemo001("第" + i + "个人", semaphore);
            thradDemo001.start();
        }
    }
}

运行结果：

第1个人天助我也，终于有茅坑了.....
第1个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:2
第2个人天助我也，终于有茅坑了.....
第2个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:1
第3个人天助我也，终于有茅坑了.....
第3个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:0
第4个人怎么没有茅坑了...
第5个人怎么没有茅坑了...
第6个人怎么没有茅坑了...
第7个人怎么没有茅坑了...
第8个人怎么没有茅坑了...
第9个人怎么没有茅坑了...
第10个人怎么没有茅坑了...
第1个人厕所上完啦!
第4个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:0
第2个人厕所上完啦!
第5个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:0
第4个人厕所上完啦!
第6个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:0
第3个人厕所上完啦!
第7个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:0
第6个人厕所上完啦!
第8个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:0
第8个人厕所上完啦!
第9个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:0
第5个人厕所上完啦!
第10个人终于上厕所啦.爽啊,剩下厕所:0
第9个人厕所上完啦!
第10个人厕所上完啦!
第7个人厕所上完啦!
Process finished with exit code 0

4. 并发队列

在并发队列上JDK提供了两套实现，一个是以ConcurrentLinkedQueue为代表的高性能非阻塞队列，一个是以BlockingQueue接口为代表的阻塞队列，无论哪种都继承自Queue。

5. 阻塞队列与非阻塞队

阻塞队列与普通队列的区别在于，当队列是空的时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，或者当队列是满时，往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他的线程往空的队列插入新的元素。同样，试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞，直到其他的线程使队列重新变得空闲起来，如从队列中移除一个或者多个元素，或者完全清空队列。

  1. ArrayDeque, （数组双端队列）
  2. PriorityQueue, （优先级队列）
  3. ConcurrentLinkedQueue, （基于链表的并发队列）
  4. DelayQueue, （延期阻塞队列）（阻塞队列实现了BlockingQueue接口）
  5. ArrayBlockingQueue, （基于数组的并发阻塞队列）
  6. LinkedBlockingQueue, （基于链表的FIFO阻塞队列）
  7. LinkedBlockingDeque, （基于链表的FIFO双端阻塞队列）
  8. PriorityBlockingQueue, （带优先级的无界阻塞队列）
  9. SynchronousQueue （并发同步阻塞队列）

5.1 ConcurrentLinkedDeque

ConcurrentLinkedQueue : 是一个适用于高并发场景下的队列，通过无锁的方式，实现了高并发状态下的高性能，通常ConcurrentLinkedQueue性能好于BlockingQueue.它是一个基于链接节点的无界线程安全队列。该队列的元素遵循先进先出的原则。头是最先加入的，尾是最近加入的，该队列不允许null元素。

ConcurrentLinkedQueue重要方法:

add 和offer() 都是加入元素的方法(在ConcurrentLinkedQueue中这俩个方法没有任何区别)

poll() 和peek() 都是取头元素节点，区别在于前者会删除元素，后者不会。

ConcurrentLinkedDeque q = new ConcurrentLinkedDeque();
q.offer("张三");
q.offer("李四");
q.offer("王五");
q.offer("麻溜");
//从头获取元素,删除该元素
System.out.println(q.poll());
//从头获取元素,不刪除该元素
System.out.println(q.peek());
//获取总长度
System.out.println(q.size());

运行结果：

5.2 BlockingQueue

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：

  • 在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
  • 当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

BlockingQueue即阻塞队列，从阻塞这个词可以看出，在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种：

  1. 当队列满了的时候进行入队列操作
  2. 当队列空了的时候进行出队列操作

因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程做了出队列操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程进行了入队列操作。

在Java中，BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供)，由上面介绍的阻塞队列的特性可知，阻塞队列是线程安全的。

在新增的Concurrent包中，BlockingQueue很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。本文详细介绍了BlockingQueue家庭中的所有成员，包括他们各自的功能以及常见使用场景。

阻塞队列，顾名思义，首先它是一个队列，通过一个共享的队列，可以使得数据由队列的一端输入，从另外一端输出；

常用的队列主要有以下两种：（当然通过不同的实现方式，还可以延伸出很多不同类型的队列，DelayQueue就是其中的一种）

  • 先进先出（FIFO） ：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。
  • 后进先出（LIFO） ：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件。

多线程环境中，通过队列可以很容易实现数据共享，比如经典的“生产者”和“消费者”模型中，通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我们有若干生产者线程，另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程，利用队列的方式来传递数据，就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内，万一发生数据处理速度不匹配的情况呢？理想情况下，如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度，并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候，那么生产者必须暂停等待一下（阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕，反之亦然。然而，在concurrent包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须去自己控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。好在此时，强大的concurrent包横空出世了，而他也给我们带来了强大的BlockingQueue。（在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤醒）。

5.2.1 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。

ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使用ArrayBlockingQueue的例子：

ArrayBlockingQueue<String> arrays = new ArrayBlockingQueue<>(3);
arrays.add("李四");
arrays.add("张军");
arrays.add("张军");
// 添加阻塞队列
try {
    arrays.offer("张三", 1, TimeUnit.SECONDS);//张三添加不进去
    for (String item:arrays) {
        System.out.println("item -> "+item);
    }
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

运行结果：

5.2.2 LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量 。它的内部实现是一个链表。

和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使LinkedBlockingQueue的例子：

LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue = new LinkedBlockingQueue(3);
linkedBlockingQueue.add("张三");
linkedBlockingQueue.add("李四");
linkedBlockingQueue.add("李四");
System.out.println(linkedBlockingQueue.size());
5.2.3 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。

所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。

另外，我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

5.2.4 SynchronousQueue

SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。

6. 使用BlockingQueue模拟生产者与消费者

package com.ylw.threadpool;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class BlockingQueueDemo {
    //生产者线程
    public static class ProducerThread implements Runnable {
        private BlockingQueue<String> blockingQueue;
        private AtomicInteger count = new AtomicInteger();
        private volatile boolean FLAG = true;
        public ProducerThread(BlockingQueue<String> blockingQueue) {
            this.blockingQueue = blockingQueue;
        }
        @Override
        public void run() {
            while (FLAG) {
                String data = count.incrementAndGet() + "";
                try {
                    boolean offer = blockingQueue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS);
                    if (offer) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-> 生产【" + data + "】成功");
                    } else {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-> 生产【" + data + "】失败");
                    }
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产者线程停止...");
        }
        public void stop() {
            this.FLAG = false;
        }
    }
    //消费者线程
    static class ConsumerThread implements Runnable {
        private volatile boolean FLAG = true;
        private BlockingQueue<String> blockingQueue;
        public ConsumerThread(BlockingQueue<String> blockingQueue) {
            this.blockingQueue = blockingQueue;
        }
        @Override
        public void run() {
            while (FLAG) {
                try {
                    String data = blockingQueue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);
                    if (data == null || data == "") {
                        FLAG = false;
                        System.out.println("消费者超过2秒时间未获取到消息.");
                        return;
                    }
                    System.out.println("消费者消费 ->【" + data + "】");
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<>(3);
        ProducerThread producerThread = new ProducerThread(blockingQueue);
        ConsumerThread consumerThread = new ConsumerThread(blockingQueue);
        Thread t1 = new Thread(producerThread);
        Thread t2 = new Thread(consumerThread);
        t1.start();
        t2.start();
        //10秒后 停止线程..
        try {
            Thread.sleep(10 * 1000);
            producerThread.stop();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

总结

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Java
安全
存储
容器
程序员
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教程线程
并发编程线程
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