Java並發工具篇
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作者：湯圓
個人部落格：javalover.cc
前言
隨著天氣的逐漸變熱，整個人也開始浮躁不安
當然這裡說的不是我，因為我是一個比較安靜的人
講的是隔壁的老大哥，在訓斥年幼的孩子
一通吼叫過後，男人安靜了下來，孩子也哭個不停
簡介
前面我們介紹了 JUC 中的並發容器，它相當於一個同步容器的升級版，很大程度上提高了並發的性能
今天我們來介紹 JUC 中的並發工具，它主要是通過改變自身的狀態來控制執行緒的執行流程；
常見的有如下幾種：
- CountDownLatch：倒計時器（屬於閉鎖的一種實現），用來阻塞執行緒
- CyclicBarrier：循環柵欄，類似倒計時器，但是比他更高級，也是用來阻塞執行緒（只不過阻塞的方式不同，下面會具體介紹）
- Semaphore：訊號量，用來控制多個執行緒同時訪問指定的資源，比如我們常用的資料庫連接池
下面讓我們開始吧
文章如果有問題，歡迎大家批評指正，在此謝過啦
目錄
- 什麼是並發工具
- 倒計數器 CountDownLatch
- 倒計數器升級版 CyclicBarrier【循環柵欄】
- 訊號量 Semaphore
- 區別
正文
1. 什麼是並發工具
並發工具是一組工具類，主要是用來控制執行緒的執行流程，比如阻塞某個執行緒，以等待其他執行緒
2. 倒計數器 CountDownLatch
從字面意思來看，就是一個倒計數門閂（shuan，打了半天zha就是打不出來)
通俗一點來說，就是倒計數，時間一到，門閂就打開
註：一旦打開，就不能再合上，即這個 CountDownLatch 的狀態改變是永久不可恢復的（記住這個點，後面會有對比）
比較官方的說法：倒計數器用來阻塞某個（某些）執行緒，以等待其他多個執行緒的任務執行完成（以這個說法為準，上面的可以用來對比參考）
下面列出 CountDownLatch 的幾個方法：
-
構造方法：
public CountDownLatch(int count)，其中count就是我們所說的內部狀態（當count=0時，表示到達終止狀態，此時會恢復被阻塞的執行緒） -
修改狀態：
public void countDown()，該方法會遞減上面的count狀態，每執行一次，就-1；（當count=0時，表示到達終止狀態，此時會恢復被阻塞的執行緒） -
等待：
public void await()，該方法會阻塞當前執行緒，直到count狀態變為0，才會恢復執行（除非中斷，此時會拋出中斷異常） -
超時等待：
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)，類似上面的await,只不過可以設置超時時間，等過了超時時間，還在阻塞，則直接恢復 -
獲取狀態值 count：
public long getCount()，獲取count的數值，以查看還可以遞減多少次（多用來調試）
模擬場景的話，這裡先列舉三個，肯定還有其他的
- 第一個就是計數器了，最直接的
- 第二個就是統計任務執行時長
- 第三個就是多人5V5遊戲，等所有人載入完畢，就開始遊戲
下面我們以第三個場景為例，寫個例子：多人遊戲載入畫面
public class CountDownLatchDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 1. 構造一個倒計數器，給定一個狀態值10
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
System.out.println("準備載入");
// 這裡我們創建10個執行緒，模擬 5V5 遊戲的10個玩家
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(()->{
// 這裡我們給點延時，模擬網路延時
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"載入100%");
// 2. 這裡的countDown就是用來改變倒計數器的內部狀態，每次-1
latch.countDown(); //這裡不會阻塞當前執行緒，執行完後就立馬返回了
}).start();
}
// 3. 這裡阻塞等待狀態的完成，即10變為0;
latch.await();
System.out.println("所有人載入完成，開始遊戲");
}
}
輸出如下：
準備載入
Thread-0載入100%
Thread-1載入100%
Thread-2載入100%
Thread-3載入100%
Thread-4載入100%
Thread-5載入100%
Thread-6載入100%
Thread-8載入100%
Thread-9載入100%
Thread-7載入100%
所有人載入完成，開始遊戲
這裡倒計數器的作用就是阻塞主執行緒，以等待其他10個子執行緒，等到都準備好，再恢復主執行緒
它的特點就是：一次性使用，達到終止狀態後不能再改變
3. 倒計數器升級版 CyclicBarrier【循環柵欄】
循環柵欄，類似倒計數器，也是用來阻塞執行緒，不過它的重點在於循環使用
而倒計數器只能用一次（這屬於他們之間最明顯的一個區別）
PS：猜測之所以叫循環柵欄，而不是循環門閂，可能是因為柵欄的作用比門閂更強大，所以叫柵欄更適合吧
官方說法：循環柵欄一般用來表示多個執行緒之間的相互等待（阻塞）
比如有10個執行緒，都要await等待；那要等到最後一個執行緒await時，柵欄才會打開
如果有定義柵欄動作，那麼當柵欄打開時，會執行柵欄動作
柵欄動作就是：柵欄打開後需執行的動作，通過構造函數的Runnable參數指定，可選參數，下面會介紹
這個屬於循環柵欄和倒計數器的第二個區別：
- 循環柵欄強調的是多個被阻塞執行緒之間的相互協作關係（等待）
- 而倒計數器強調的是單個（或多個）執行緒被阻塞，來等待其他執行緒的任務執行
下面我們看幾個循環柵欄 CyclicBarrier 內部的方法：
- 構造方法：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，第一個表示需等待（阻塞）的執行緒數，第二個barrierAction就是上面我們說的柵欄動作，即當最後一個執行緒也被阻塞時，就會觸發這個柵欄動作（這個參數可選，如果沒有，則不執行任何動作） - 等待：
public int await()，阻塞當前執行緒，直到最後一個執行緒被阻塞，才會恢復 - 超時等待：
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)，類似上面的await,只不過可以設置超時時間 - 獲取當前等待的執行緒數：
public int getNumberWaiting()，即調用了await方法的執行緒數量
場景：
-
大事化小，小事合併：就是將某個大任務拆解為多個小任務，等到小任務都完成，再合併為一個結果
-
多人對戰遊戲團戰
- 上面的倒計數器表示遊戲開始前的準備工作（只需準備一次）
- 而這裡的循環柵欄則可以表示遊戲開始後的團戰工作（可團戰多次）
下面看下例子：多人遊戲團戰畫面
public class CyclicBarrierDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 1. 創建一個循環柵欄，給定等待執行緒數10和柵欄動作
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(10,()->{
// 柵欄動作，等到所有執行緒都await，就會觸發
System.out.println("=== 人齊了，開始團吧");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
System.out.println("=== 準備第一波團戰 ===");
// 2. 創建10個執行緒，模擬10個玩家
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(()->{
try {
// 玩家到場
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>第一波團，我準備好了");
// 等待其他人，等人齊就可以團了（人齊了會執行柵欄動作，此時這邊也會恢復執行）
barrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
// 3. 查詢當前等待都執行緒數量，如果不為0，則主執行緒繼續等待
while (barrier.getNumberWaiting()!=0){
Thread.sleep(1000);
}
System.out.println("=== 第一波團戰結束 ===");
// 4. 此時還可以進行第二波第三波團戰。。。（循環柵欄可循環觸發，倒計數器只能觸發一次）
}
}
輸出如下：
=== 準備第一波團戰 ===
Thread-0=>第一波團，我準備好了
Thread-1=>第一波團，我準備好了
Thread-2=>第一波團，我準備好了
Thread-3=>第一波團，我準備好了
Thread-4=>第一波團，我準備好了
Thread-5=>第一波團，我準備好了
Thread-6=>第一波團，我準備好了
Thread-7=>第一波團，我準備好了
Thread-8=>第一波團，我準備好了
Thread-9=>第一波團，我準備好了
=== 人齊了，開始團吧
=== 第一波團戰結束 ===
4. 訊號量 Semaphore
訊號量主要是用來控制多個執行緒同時訪問指定資源，比如資料庫連接池，超過指定數量，就阻塞等待
下面我們介紹下訊號量的幾個關鍵方法：
- 構造方法：
public Semaphore(int permits, boolean fair),第一個參數為許可數，即允許同時訪問的的執行緒數，第二個參數為公平還是非公平模式（默認非公平）- 公平模式，誰先調用acquire，誰就先訪問資源，FIFO先進先出
- 非公平模式，允許插隊，如果某個執行緒剛釋放了許可，另一個執行緒就調用了acquire，那麼這個執行緒就會插隊訪問資源）
- 獲取許可：
public void acquire()，如果有許可，則直接返回，並將許可數遞減1；如果沒可用的許可，就阻塞等待，或者被中斷 - 嘗試獲取許可：
public boolean tryAcquire()，類似上面的acquire，但是不會被阻塞和中斷，因為如果沒有可用的許可，則直接返回false - 釋放許可：
public void release()，釋放一個許可，並將許可數遞增1 - 獲取可用的許可數量：
public int availablePermits()，這個方法一般用來調試
場景：資料庫連接池
訊號量的特點就是可重複使用許可，所以像資料庫連接池這種場景就很適合了
這裡就不舉例子了，就是多個執行緒acquire和release，獲取許可時，如果沒有就阻塞，如果有就立即返回
5 區別
用表格看比較方便點
| 區別 | CountDownLatch | CyclicBarrier | Semaphore |
|---|---|---|---|
| 可使用次數 | 單次 | 多次（循環使用） | 多次（循環使用） |
| 執行緒的阻塞 | 阻塞單個（多個）執行緒，以等待其他執行緒的執行 | 多個執行緒之間的相互阻塞 | 超過許可數，會阻塞 |
| 場景 | 1. 計數器 2. 統計任務執行時長 3. 多人對戰遊戲的開局等待 |
1. 大事化小，再合併 2. 多人對戰遊戲的團戰 |
1. 資料庫連接池 |
可以看到，倒計數器主要是用來表示單個執行緒等待多個執行緒，而循環柵欄主要是用來表示多個執行緒之間的相互等待
總結
- 什麼是並發工具：並發工具是一組工具類，主要是用來控制執行緒的執行流程，比如阻塞某個執行緒，以等待其他執行緒
- 倒計數器 CountDownLatch：用來表示阻塞某個（某些）執行緒，以等待其他多個執行緒的任務執行完成
- 循環柵欄 CyclicBarrier：用來表示多個執行緒之間的相互等待協作（阻塞）
- 訊號量 Semaphore：用來表示允許同時訪問指定資源的許可數（執行緒數）
- 區別：
| 區別 | CountDownLatch | CyclicBarrier | Semaphore |
|---|---|---|---|
| 可使用次數 | 單次 | 多次（循環使用） | 多次（循環使用） |
| 執行緒的阻塞 | 阻塞單個（多個）執行緒，以等待其他執行緒的執行 | 多個執行緒之間的相互阻塞 | 超過許可數，會阻塞 |
| 場景 | 1. 計數器 2. 統計任務執行時長 3. 多人對戰遊戲的開局等待 |
1. 大事化小，再合併 2. 多人對戰遊戲的團戰 |
1. 資料庫連接池 |
參考內容：
- 《Java並發編程實戰》
- 《實戰Java高並發》
後記
學習之路，真夠長，共勉之
寫在最後：
願你的意中人亦是中意你之人
