七、JUC并发工具

JUC并发工具

CountDownLatch应用&源码分析

CountDownLatch介绍

CountDownLatch就是JUC包下的一个工具，整个工具最核心的功能就是计数器。
如果有三个业务需要并行处理，并且需要知道三个业务全部都处理完毕了。
需要一个并发安全的计数器来操作。
CountDownLatch就可以实现。
给CountDownLatch设置一个数值。可以设置3。
每个业务处理完毕之后，执行一次countDown方法，指定的3每次在执行countDown方法时，对3进行-1。
主线程可以在业务处理时，执行await，主线程会阻塞等待任务处理完毕。
当设置的3基于countDown方法减为0之后，主线程就会被唤醒，继续处理后续业务。

当咱们的业务中，出现2个以上允许并行处理的任务，并且需要在任务都处理完毕后，再做其他处理时，可以采用CountDownLatch去实现这个功能。

CountDownLatch应用

模拟有三个任务需要并行处理，在三个任务全部处理完毕后，再执行后续操作。
CountDownLatch中，执行countDown方法，代表一个任务结束，对计数器 -1。
执行await方法，代表等待计数器变为0时，再继续执行。
执行await(time,unit)方法，代表等待time时长，如果计数器不为0，返回false，如果在等待期间，计数器为0，方法就返回true
一般CountDownLatch更多的是基于业务去构建，不采用成员变量。

public class TestCountDownLatch {static ThreadPoolExecutor executor = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(3);static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {System.out.println("主业务开始执行");sleep(1000);executor.execute(TestCountDownLatch::a);executor.execute(TestCountDownLatch::b);executor.execute(TestCountDownLatch::c);System.out.println("三个任务并行执行,主业务线程等待");// 死等任务结束// countDownLatch.await();// 如果在规定时间内，任务没有结束，返回falseif (countDownLatch.await(10, TimeUnit.SECONDS)) {System.out.println("三个任务处理完毕，主业务线程继续执行");} else {System.out.println("三个任务没有全部处理完毕，执行其他的操作");}}private static void a() {System.out.println("A任务开始");sleep(1000);System.out.println("A任务结束");countDownLatch.countDown();}private static void b() {System.out.println("B任务开始");sleep(1500);System.out.println("B任务结束");countDownLatch.countDown();}private static void c() {System.out.println("C任务开始");sleep(2000);System.out.println("C任务结束");countDownLatch.countDown();}private static void sleep(long timeout) {try {Thread.sleep(timeout);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

CountDownLatch源码分析

保证CountDownLatch就是一个计数器，没有什么特殊的功能，查看源码也只是查看计数器实现的方式。
发现CountDownLatch的内部类Sync继承了AQS，CountDownLatch就是基于AQS实现的计数器。
AQS就是一个state属性，以及AQS双向链表。
猜测计数器的数值实现就是基于state去玩的。
主线程阻塞的方式，也是阻塞在了AQS双向链表中。

有参构造

就是构建内部类Sync，并且给AQS中的state赋值。

// CountDownLatch的有参构造
public CountDownLatch(int count) {// 健壮性校验if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");// 构建内部类，Sync传入countthis.sync = new Sync(count);
}// AQS子类，Sync的有参构造
Sync(int count) {// 就是给AQS中的state赋值setState(count);
}

await方法

await方法就是判断当前CountDownLatch中的state是否为0，如果为0，直接正常执行后续任务。
如果不为0，以共享锁的方式，插入到AQS的双向链表，并且挂起线程。

// 一般主线程await的方法，阻塞主线程，等待state为0
public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {// 判断线程是否中断，如果中断标记位是true，直接抛出异常if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();if (tryAcquireShared(arg) < 0)// 共享锁挂起的操作doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}// tryAcquireShared在CountDownLatch中的实现
protected int tryAcquireShared(int acquires) {// 查看state是否为0，如果为0，返回1，不为0，返回-1return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {// 封装当前先成为Node，属性为共享锁final Node node = addWaiter(Node.SHARED);boolean failed = true;try {for (;;) {final Node p = node.predecessor();if (p == head) {int r = tryAcquireShared(arg);if (r >= 0) {setHeadAndPropagate(node, r);p.next = null; // help GCfailed = false;return;}}// 在这，就需要挂起当前线程。if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())throw new InterruptedException();}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}
}

countDown方法

countDown方法本质就是对state - 1，如果state - 1后变为0，需要去AQS的链表中唤醒挂起的节点。

// countDown对计数器-1
public void countDown() {// 是-1。sync.releaseShared(1);
}// AQS提供的功能
public final boolean releaseShared(int arg) {// 对state - 1if (tryReleaseShared(arg)) {// state - 1后，变为0，执行doReleaseShareddoReleaseShared();return true;}return false;
}// CountDownLatch的tryReleaseShared实现
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {// Decrement count; signal when transition to zero// 死循环是为了避免CAS并发问题for (;;) {// 获取stateint c = getState();// state已经为0，直接返回falseif (c == 0)return false;// 对获取到的state - 1int nextc = c-1;// 基于CAS的方式，将值赋值给stateif (compareAndSetState(c, nextc))// 赋值完，发现state为0了。此时可能会有线程在await方法处挂起，那边挂起，需要这边唤醒return nextc == 0;}
}// 如何唤醒在await方法处挂起的线程
private void doReleaseShared() {for (;;) {// 拿到headNode h = head;// head不为null，有值，并且head != tail，代表至少2个节点 // 一个虚拟的head，加上一个实质性的Nodeif (h != null && h != tail) {// 说明AQS队列中有节点int ws = h.waitStatus;// 如果head节点的状态为 -1.if (ws == Node.SIGNAL) {// 先对head节点将状态从-1，修改为0，避免重复唤醒的情况if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))continue;            // loop to recheck cases// 正常唤醒节点即可，先看head.next,能唤醒就唤醒，如果head.next有问题，从后往前找有效节点unparkSuccessor(h);}// 会在Semaphore中谈到这个位置else if (ws == 0 &&!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))continue;                // loop on failed CAS}// 会在Semaphore中谈到这个位置if (h == head)                   // loop if head changedbreak;}
}

CyclicBarrier应用&源码分析

CyclicBarrier介绍

从名字上来看CyclicBarrier，就是代表循环屏障。

Barrier屏障：让一个或多个线程达到一个屏障点，会被阻塞。屏障点会有一个数值，当达到一个线程阻塞在屏障点时，就会对屏障点的数值进行-1操作，当屏障点数值减为0时，屏障就会打开，唤醒所有阻塞在屏障点的线程。在释放屏障点之后，可以先执行一个任务，再让所有阻塞被唤醒的线程继续之后后续任务。

Cyclic循环：所有线程被释放后，屏障点的数值可以再次被重置。

CyclicBarrier一般被称为栅栏。

CyclicBarrier是一种同步机制，允许一组线程互相等待。现成的达到屏障点其实是基于await方法在屏障点阻塞。

CyclicBarrier并没有基于AQS实现，他是基于ReentrantLock锁的机制去实现了对屏障点–，以及线程挂起的操作。(CountDownLatch本身是基于AQS，对state进行release操作后，可以-1)

CyclicBarrier没来一个线程执行await，都会对屏障数值进行-1操作，每次-1后，立即查看数值是否为0，如果为0，直接唤醒所有的互相等待线程。

CyclicBarrier对比CountDownLatch区别

• 底层实现不同。CyclicBarrier基于ReentrantLock做的。CountDownLatch直接基于AQS做的。
• 应用场景不同。CountDownLatch的计数器只能使用一次。而CyclicBarrier在计数器达到0之后，可以重置计数器。CyclicBarrier可以实现相比CountDownLatch更复杂的业务，执行业务时出现了错误，可以重置CyclicBarrier计数器，再次执行一次。
• CyclicBarrier还提供了很多其他的功能：
  • 可以获取到阻塞的现成有多少
  • 在线程互相等待时，如果有等待的线程中断，可以抛出异常，避免无限等待的问题。
• CountDownLatch一般是让主线程等待，让子线程对计数器–。CyclicBarrier更多的让子线程 也一起计数和等待，等待的线程达到数值后，再统一唤醒

CyclicBarrier:多个线程互相等待，直到到达同一个同步点，再一次执行。

CyclicBarrier应用

出国旅游，导游小姐姐需要等待所有乘客都到位后，发送护照，签证等等文件，再一起出发。
比如Tom，Jack，Rose三个人组个团出门旅游。
在构建CyclicBarrier可以指定barrierAction，可以选择性指定，如果指定了，那么会在barrier归0后，优先执行barrierAction任务，然后再去唤醒所有阻塞挂起的线程，并行去处理后续任务。
所有互相等待的线程，可以指定等待时间，并且在等待的过程中，如果有线程中断，所有互相的等待的线程都会被唤醒。
如果在等待期间，有线程中断了，唤醒所有线程后，CyclicBarrier无法继续使用。
如果线程中断后，需要继续使用当前的CyclicBarrier，需要调用reset方法，让CyclicBarrier重置。
如果CyclicBarrier的屏障数值到达0之后，他默认会重置屏障数值，CyclicBarrier在没有线程中断时，是可以重复使用的。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {System.out.println("等到各位大佬都到位之后，分发护照和签证等内容!");});new Thread(() -> {System.out.println("Tom到位!!!");try {barrier.await();} catch (Exception e) {System.out.println("悲剧，人没到齐!");return;}System.out.println("Tom出发!!!");}).start();Thread.sleep(100);new Thread(() -> {System.out.println("Jack到位!!!");try {barrier.await();} catch (Exception e) {System.out.println("悲剧，人没到齐!");return;}System.out.println("Jack出发!!!");}).start();Thread.sleep(100);new Thread(() -> {System.out.println("Rose到位!!!");try {barrier.await();} catch (Exception e) {System.out.println("悲剧，人没到齐!");return;}System.out.println("Rose出发!!!");}).start();/* tom到位，jack到位，rose到位 导游发签证 tom出发，jack出发，rose出发*/
}

CyclicBarrier源码分析

分成两块内容去查看，首先查看CyclicBarrier的一些核心属性，然后再查看CyclicBarrier的核心方法。

CyclicBarrier的核心属性

public class CyclicBarrier {// 这个静态内部类是用来标记是否中断的private static class Generation {boolean broken = false;}/** CyclicBarrier是基于ReentrantLock实现的互斥操作，以及计数原子性操作 */private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();/** 基于当前的Condition实现线程的挂起和唤醒 */private final Condition trip = lock.newCondition();/** 记录有参构造传入的屏障数值，不会对这个数值做操作 */private final int parties;/** 当屏障数值达到0之后，优先执行当前任务 */private final Runnable barrierCommand;/** 初始化默认的Generation，用来标记线程中断情况 */private Generation generation = new Generation();/** 每来一个线程等待，就对count进行-- */private int count;
}

CyclicBarrier的有参构造

掌握构建CyclicBarrier之后，内部属性的情况

// 这个是CyclicBarrier的有参构造
// 在内部传入了parties，屏障点的数值
// 还传入了barrierAction，屏障点的数值达到0，优先执行barrierAction任务
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {// 健壮性判if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();// 当前类中的属性parties是保存屏障点数值的this.parties = parties;// 将parties赋值给属性count，每来一个线程，继续count做-1操作。this.count = parties;// 优先执行的任务this.barrierCommand = barrierAction;
}

CyclicBarrier中的await方法

在CyclicBarrier中，提供了2个await方法。

• 第一个是无参的方式，线程要死等，直屏障点数值为0，或者有线程中断。
• 第二个是有参方式，传入等待的时间，要么时间到位了，要不就是直屏障点数值为0，或者有线程中断。

无论是哪种await方法，核心都在于内部调用的dowait方法。
dowait方法主要包含了线程互相等待的逻辑，以及屏障点数值到达0之后的操作。

Semaphone应用&源码分析

Semaphore介绍

sync，ReentrantLock是互斥锁，保证一个资源同一时间只允许被一个线程访问。
Semaphore(信号量)保证1个或多个资源可以被指定数量的线程同时访问。
底层实现是基于AQS去做的。
Semaphore底层也是基于AQS的state属性做一个计数器的维护。state的值就代表当前共享资源的 个数。如果一个线程需要获取的1或多个资源，直接查看state的标识的资源个数是否足够，如果足够的，直接对state - 1拿到当前资源。如果资源不够，当前线程就需要挂起等待。知道持有资源的线程释放资源后，会归还给Semaphore中的state属性，挂起的线程就可以被唤醒。
Semaphore也分为公平和非公平的概念。
使用场景:连接池对象就可以基础信号量去实现管理。在一些流量控制上，也可以采用信号量去实现。再比如去迪士尼或者是环球影城，每天接受的人流量是固定的，指定一个具体的人流量，可能接 受10000人，每有一个人购票后，就对信号量进行–操作，如果信号量已经达到了0，或者是资源不足，此时就不能买票。

Semaphore应用

以上面环球影城每日人流量为例子去测试一下。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 今天环球影城还有人个人流量Semaphore semaphore = new Semaphore(10);new Thread(() -> {System.out.println("一家三口要去~~");try {semaphore.acquire(3);System.out.println("一家三口进去了~~~");Thread.sleep(10000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {System.out.println("一家三口走了~~~");semaphore.release(3);}}).start();for (int i = 0; i < 7; i++) {int j = i;new Thread(() -> {System.out.println(j + "大哥来了。");try {semaphore.acquire();System.out.println(j + "大哥进去了~~~");Thread.sleep(10000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {System.out.println(j + "大哥走了~~~");semaphore.release();}}).start();}Thread.sleep(10);System.out.println("main大哥来了。");if (semaphore.tryAcquire()) {System.out.println("main大哥进来了。");} else {System.out.println("资源不够，main大哥进来了。");}Thread.sleep(10000);System.out.println("main大哥又来了。");if (semaphore.tryAcquire()) {System.out.println("main大哥进来了。");semaphore.release();} else {System.out.println("资源不够，main大哥进来了。");}
}

其实Semaphore整体就是对构建Semaphore时，指定的资源数的获取和释放操作。
获取资源方式：

• acquire():获取一个资源，没有资源就挂起等待，如果中断，直接抛异常
• acquire(int):获取指定个数资源，资源不够，或者没有资源就挂起等待，如果中断，直接抛异常
• tryAcquire():获取一个资源，没有资源返回false，有资源返回true tryAcquire(int):获取指定个数资源，没有资源返回false，有资源返回true
• tryAcquire(time,unit):获取一个资源，如果没有资源，等待time.unit，如果还没有，就返回 false
• tryAcquire(int，time,unit):获取指定个数资源，如果没有资源，等待time.unit，如果还没有，就返回false
• acquireUninterruptibly():获取一个资源，没有资源就挂起等待，中断线程不结束，继续等
• acquireUninterruptibly(int):获取指定个数资源，没有资源就挂起等待，中断线程不结束，继续等

归还资源方式：

• release():归还一个资源
• release(int):归还指定个数资源

Semaphore源码分析

先查看Semaphore的整体结构，然后基于获取资源，以及归还资源的方式去查看源码。

Semaphore的整体结构

Semaphore内部有3个静态内类。
首先是向上抽取的Sync。
其次还有两个Sync的子类NonFairSync以及FairSync两个静态内部类。
Sync内部主要提供了一些公共的方法，并且将有参构造传入的资源个数，直接基于AQS提供的setState方法设置了state属性。
NonFairSync以及FairSync区别就是tryAcquireShared方法的实现是不一样。

Semaphore的非公平的获取资源

在构建Semaphore的时候，如果只设置资源个数，默认情况下是非公平。
如果在构建Semaphore，传入了资源个数以及一个boolean时，可以选择非公平还是公平。

public Semaphore(int permits, boolean fair) {sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

从非公平的acquire方法入手

首先确认默认获取资源数是1个，并且acquire是允许中断线程时，抛出异常的。获取资源的方式， 就是直接用state - 需要的资源数，只要资源足够，就CAS的将state做修改。如果没有拿到锁资源， 就基于共享锁的方式去将当前线程挂起在AQS双向链表中。如果基于doAcquireSharedInterruptibly拿锁成功，会做一个事情。会执行setHeadAndPropagate方法。

// 信号量的获取资源方法(默认获取一个资源)
public void acquire() throws InterruptedException {// 跳转到了AQS中提供共享锁的方法sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}// AQS提供的
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {// 判断线程的中断标记位，如果已经中断，直接抛出异常if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();// 先看非公平的tryAcquireShared实现。// tryAcquireShared:// 返回小于0，代表获取资源失败，需要排队。// 返回大于等于0，代表获取资源成功，直接执行业务代码if (tryAcquireShared(arg) < 0)doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}// 信号量的非公平获取资源方法
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {// 获取state的数值，剩余的资源个数int available = getState();// 剩余的资源个数 - 需要的资源个数int remaining = available - acquires;// 如果-完后，资源个数小于0，直接返回这个负数if (remaining < 0 ||// 说明资源足够，基于CAS的方式，将state从原值，改为remainingcompareAndSetState(available, remaining))return remaining;}
}// 获取资源失败，资源不够，当前线程需要挂起等待
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {// 构建Node节点，线程和共享锁标记，并且到AQS双向链表中final Node node = addWaiter(Node.SHARED);boolean failed = true;try {for (;;) {// 拿到上一个节点final Node p = node.predecessor();// 如果是head.next，就抢一手if (p == head) {// 再次基于非公平的方式去获取一次资源int r = tryAcquireShared(arg);// 到这，说明拿到了锁资源if (r >= 0) {setHeadAndPropagate(node, r);p.next = null; // help GCfailed = false;return;}}// 如果上面没拿到，或者不是head的next节点，将前继节点的状态改为-1，并挂起当前线程if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())// 如果线程中断会抛出异常throw new InterruptedException();}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}
}

acquire()以及acquire(int)的方式，都是执行acquireSharedInterruptibly方法去尝试获取资源，区别只在于是否传入了需要获取的资源个数。
tryAcquire()以及tryAcquire(int因为这两种方法是直接执行tryAcquire，只使用非公平的实现，只有非公平的情况下，才有可能在有线程排队的时候获取到资源。

但是tryAcquire(int,time,unit)这种方法是正常走的AQS提供的acquire。因为这个tryAcquire可以排队一会，即便是公平锁也有可能拿到资源。这里的挂起和acquire挂起的区别仅仅是挂起的时间问题。

• acquire是一直挂起直到线程中断，或者线程被唤醒。
• tryAcquire(int,time,unit)是挂起一段时间，直到线程中断，要么线程被唤醒，要么阻塞时间到了。

还有acquireUninterruptibly()以及acquireUninterruptibly(int)只是在挂起线程后，不会因为线程 的中断而去抛出异常

Semaphore公平实现

公平与非公平只是差了一个方法的实现tryAcquireShared实现。
这个方法的实现中，如果是公平实现，需要先查看AQS中排队的情况。

// 信号量公平实现
protected int tryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {// 公平实现在走下述逻辑前，先判断队列中排队的情况// 如果没有排队的节点，直接不走if逻辑// 如果有排队的节点，发现当前节点处在head.next位置，直接不走if逻辑if (hasQueuedPredecessors())return -1;// 下面这套逻辑和公平实现是一模一样的。int available = getState();int remaining = available - acquires;if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))return remaining;}
}

Semaphore释放资源

因为信号量从头到尾都是共享锁的实现…
释放资源操作，不区分公平和非公平。

// 信号量释放资源的方法入口
public void release() {sync.releaseShared(1);
}// 释放资源不分公平和非公平，都走AQS的releaseShared
public final boolean releaseShared(int arg) {// 优先查看tryReleaseShared，这个方法是信号量自行实现的。if (tryReleaseShared(arg)) {// 只要释放资源成功，执行doReleaseShared，唤醒AQS中排队的线程，去竞争Semaphore的资源doReleaseShared();return true;}return false;
}// 信号量实现的释放资源方法
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {for (;;) {// 拿到当前的stateint current = getState();// 将state + 归还的资源个数，新的state要被设置为nextint next = current + releases;// 如果归还后的资源个数，小于之前的资源数。// 避免出现归还资源后，导致next为负数，需要做健壮性判断if (next < current) // overflowthrow new Error("Maximum permit count exceeded");// CAS操作，保证原子性，只会有一个线程成功的就之前的state修改为nextif (compareAndSetState(current, next))return true;}
}

AQS中PROPAGATE节点

为了更好的了解PROPAGATE节点状态的意义，优先从JDK1.5去分析一下释放资源以及排队后获取资源的后置操作。

掌握JDK1.5-Semaphore执行流程图

首先查看4个线程获取信号量资源的情况

往下查看释放资源的过程会触发什么问题。
首先t1释放资源，做了进一步处理。

当线程3获取锁资源后，线程2再次释放资源，因为执行点问题，导致线程4无法被唤醒。

分析JDK1.8的变化

//====================================JDK1.5实现================================ 
public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h);return true;}return false;
}private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {setHead(node);if (propagate > 0 && node.waitStatus != 0) {Node s = node.next;if (s == null || s.isShared()) unparkSuccessor(node);}
}//====================================JDK1.8实现================================
public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();return true;}return false;
}private void doReleaseShared() {for (;;) {// 拿到head节点Node h = head;// 判断AQS中有排队的Node节点if (h != null && h != tail) {// 拿到head节点的状态int ws = h.waitStatus;// 状态为-1if (ws == Node.SIGNAL) {// 将head节点的状态从-1，改为0if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))continue;            // loop to recheck cases// 唤醒后继节点unparkSuccessor(h);}// 发现head状态为0，将head状态从0改为-3，目的是为了往后面传播else if (ws == 0 &&!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))continue;                // loop on failed CAS}// 没有并发的时候。head节点没变化，正常完成释放排队的线程if (h == head)                   // loop if head changedbreak;}
}private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {// 拿到headNode h = head; // Record old head for check below// 将线程3的Node设置为新的headsetHead(node);// 如果propagate 大于0，代表还有剩余资源，直接唤醒后续节点，如果不满足，也需要继续往后判断看下是否需要传播// h == null:看成健壮性判断即可// 之前的head节点状态为负数，说明并发情况下，可能还有资源，需要继续向后唤醒Node// 如果当前新head节点的状态为负数，继续释放后续节点if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {// 唤醒当前节点的后继节点Node s = node.next;if (s == null || s.isShared())doReleaseShared();}
}