高并发编程之JUC 三大辅助类和读写锁

简介: 高并发编程之JUC 三大辅助类和读写锁

7 JUC 三大辅助类

JUC 中提供了三种常用的辅助类,通过这些辅助类可以很好的解决线程数量过
多时 Lock 锁的频繁操作。这三种辅助类为:

  • • CountDownLatch: 减少计数
  • • CyclicBarrier: 循环栅栏
  • • Semaphore: 信号灯

下面我们分别进行详细的介绍和学习

7.1 减少计数 CountDownLatch

CountDownLatch 类可以设置一个计数器,然后通过 countDown 方法来进行
减 1 的操作,使用 await 方法等待计数器不大于 0,然后继续执行 await 方法
之后的语句。
• CountDownLatch 主要有两个方法,当一个或多个线程调用 await 方法时,这
些线程会阻塞
• 其它线程调用 countDown 方法会将计数器减 1(调用 countDown 方法的线程
不会阻塞)
• 当计数器的值变为 0 时,因 await 方法阻塞的线程会被唤醒,继续执行

场景: 6 个同学陆续离开教室后值班同学才可以关门。

CountDownLatchDemopackage com.at

package com.xingchen.juc;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
//演示 CountDownLatch
/**
 * @author xing'chen
 */
public class CountDownLatchDemo {
    //6个同学陆续离开教室之后,班长锁门
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建CountDownLatch对象,设置初始值
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(6);
        //6个同学陆续离开教室之后
        for (int i = 1; i <=6; i++) {
            new Thread(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 号同学离开了教室");
                //计数  -1
                countDownLatch.countDown();
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        //等待
        countDownLatch.await();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 班长锁门走人了");
    }
}

7.2 循环栅栏 CyclicBarrier

CyclicBarrier 看英文单词可以看出大概就是循环阻塞的意思,在使用中
CyclicBarrier 的构造方法第一个参数是目标障碍数,每次执行 CyclicBarrier 一
次障碍数会加一,如果达到了目标障碍数,才会执行 cyclicBarrier.await()之后
的语句。可以将 CyclicBarrier 理解为加 1 操作

场景: 集齐 7 颗龙珠就可以召唤神龙

CyclicBarrierDemo

package com.xingchen.juc;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
//集齐7颗龙珠就可以召唤神龙
/**
 * @author xing'chen
 */
public class CyclicBarrierDemo {
    //创建固定值
    private static final int NUMBER = 7;
    public static void main(String[] args) {
        //创建CyclicBarrier
        CyclicBarrier cyclicBarrier =
                new CyclicBarrier(NUMBER,()->{
                    System.out.println("*****集齐7颗龙珠就可以召唤神龙");
                });
        //集齐七颗龙珠过程
        for (int i = 1; i <=7; i++) {
            new Thread(()->{
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 星龙被收集到了");
                    //等待
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

7.3 信号灯 Semaphore

Semaphore 的构造方法中传入的第一个参数是最大信号量(可以看成最大线
程池),每个信号量初始化为一个最多只能分发一个许可证。使用 acquire 方
法获得许可证,release 方法释放许可
场景: 抢车位, 6 部汽车 3 个停车位
SemaphoreDemo

package com.xingchen.juc;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * @author xing'chen
 */ //6辆汽车,停3个车位
public class SemaphoreDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Semaphore,设置许可数量
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        //模拟6辆汽车
        for (int i = 1; i <=6; i++) {
            new Thread(()->{
                try {
                    //抢占
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 抢到了车位");
                    //设置随机停车时间
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(5));
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" ------离开了车位");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    //释放
                    semaphore.release();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

8 读写锁

8.1 读写锁介绍

现实中有这样一种场景:对共享资源有读和写的操作,且写操作没有读操作那
么频繁。在没有写操作的时候,多个线程同时读一个资源没有任何问题,所以
应该允许多个线程同时读取共享资源;但是如果一个线程想去写这些共享资源,
就不应该允许其他线程对该资源进行读和写的操作了。
针对这种场景,JAVA 的并发包提供了读写锁 ReentrantReadWriteLock,
它表示两个锁,一个是读操作相关的锁,称为共享锁;一个是写相关的锁,称
为排他锁

1. 线程进入读锁的前提条件:

• 没有其他线程的写锁
• 没有写请求, 或者有写请求,但调用线程和持有锁的线程是同一个(可重入锁)。

2. 线程进入写锁的前提条件:

• 没有其他线程的读锁
• 没有其他线程的写锁

而读写锁有以下三个重要的特性:

(1)公平选择性:支持非公平(默认)和公平的锁获取方式,吞吐量还是非公
平优于公平。
(2)重进入:读锁和写锁都支持线程重进入。
(3)锁降级:遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序,写锁能够降级成为
读锁。

8.2 ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock 类的整体结构

public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock,
        java.io.Serializable {
    /** 读锁 */
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
    /** 写锁 */
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
    final Sync sync;
    /** 使用默认(非公平)的排序属性创建一个新的
     ReentrantReadWriteLock */
    public ReentrantReadWriteLock() {
        this(false);
    }
    /** 使用给定的公平策略创建一个新的 ReentrantReadWriteLock */
    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
    }
    /** 返回用于写入操作的锁 */
    public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return
            writerLock; }
    /** 返回用于读取操作的锁 */
    public ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock() { return
            readerLock; }
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
    static final class NonfairSync extends Sync {}
    static final class FairSync extends Sync {}
    public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {}
    public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {}
}

可以看到,ReentrantReadWriteLock 实现了 ReadWriteLock 接口,
ReadWriteLock 接口定义了获取读锁和写锁的规范,具体需要实现类去实现;
同时其还实现了 Serializable 接口,表示可以进行序列化,在源代码中可以看
到 ReentrantReadWriteLock 实现了自己的序列化逻辑。

8.3 入门案例

场景: 使用 ReentrantReadWriteLock 对一个 hashmap 进行读和写操作

8.3.1 实现案例

package com.xingchen.readwrite;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
//资源类
class MyCache {
    //创建map集合
    private volatile Map<String,Object> map = new HashMap<>();
    //创建读写锁对象
    private ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
    //放数据
    public void put(String key,Object value) {
        //添加写锁
        rwLock.writeLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写操作"+key);
            //暂停一会
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
            //放数据
            map.put(key,value);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写完了"+key);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //释放写锁
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }
    //取数据
    public Object get(String key) {
        //添加读锁
        rwLock.readLock().lock();
        Object result = null;
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在读取操作"+key);
            //暂停一会
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
            result = map.get(key);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 取完了"+key);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //释放读锁
            rwLock.readLock().unlock();
        }
        return result;
    }
}
/**
 * @author xing'chen
 */
public class ReadWriteLockDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyCache myCache = new MyCache();
        //创建线程放数据
        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            final int num = i;
            new Thread(()->{
                myCache.put(num+"",num+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
        //创建线程取数据
        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            final int num = i;
            new Thread(()->{
                myCache.get(num+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

8.4 小结(重要)

• 在线程持有读锁的情况下,该线程不能取得写锁(因为获取写锁的时候,如果发
现当前的读锁被占用,就马上获取失败,不管读锁是不是被当前线程持有)。
• 在线程持有写锁的情况下,该线程可以继续获取读锁(获取读锁时如果发现写
锁被占用,只有写锁没有被当前线程占用的情况才会获取失败)。
原因: 当线程获取读锁的时候,可能有其他线程同时也在持有读锁,因此不能把
获取读锁的线程“升级”为写锁;而对于获得写锁的线程,它一定独占了读写
锁,因此可以继续让它获取读锁,当它同时获取了写锁和读锁后,还可以先释
放写锁继续持有读锁,这样一个写锁就“降级”为了读锁。

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