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Java并发编程通信工具类 Semaphore、Exchanger、CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser等一网打尽

沉默王二Java核心Java并发编程约 4847 字大约 16 分钟

第二十九节：通信工具类

JDK 中提供了一些并发编程中常用的通信工具类以供我们开发者使用，比如说 CountDownLatch,Semaphore,Exchanger,CyclicBarrier,Phaser。

它们都在 JUC 包下。先总体概括一下都有哪些工具类，它们有什么作用，然后再分别介绍它们的主要使用方法和原理。

类作用
Semaphore限制线程的数量
Exchanger两个线程交换数据
CountDownLatch线程等待直到计数器减为 0 时开始工作
CyclicBarrier作用跟 CountDownLatch 类似，但是可以重复使用
Phaser增强的 CyclicBarrier

Semaphore

Semaphore 翻译过来是信号的意思。顾名思义，这个工具类提供的功能就是多个线程彼此“传信号”。而这个“信号”是一个int类型的数据，也可以看成是一种“资源”。

可以在构造方法中传入初始资源总数，以及是否使用“公平”的同步器。默认情况下，是非公平的。

// 默认情况下使用非公平
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

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

最主要的方法是 acquire 方法和 release 方法。acquire()方法会申请一个 permit，而 release 方法会释放一个 permit。当然，你也可以申请多个 acquire(int permits)或者释放多个 release(int permits)。

每次 acquire，permits 就会减少一个或者多个。如果减少到了 0，再有其他线程来 acquire，那就要阻塞这个线程直到有其它线程 release permit 为止。

Semaphore 使用案例

Semaphore 往往用于资源有限的场景中，去限制线程的数量。举个例子，我想限制同时只能有 3 个线程在工作：

public class SemaphoreDemo {
    static class MyThread implements Runnable {

        private int value;
        private Semaphore semaphore;

        public MyThread(int value, Semaphore semaphore) {
            this.value = value;
            this.semaphore = semaphore;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire(); // 获取permit
                System.out.println(String.format("当前线程是%d, 还剩%d个资源，还有%d个线程在等待",
                        value, semaphore.availablePermits(), semaphore.getQueueLength()));
                // 睡眠随机时间，打乱释放顺序
                Random random =new Random();
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                System.out.println(String.format("线程%d释放了资源", value));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally{
                semaphore.release(); // 释放permit
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new MyThread(i, semaphore)).start();
        }
    }
}

输出：

当前线程是 1, 还剩 2 个资源，还有 0 个线程在等待
当前线程是 0, 还剩 1 个资源，还有 0 个线程在等待
当前线程是 6, 还剩 0 个资源，还有 0 个线程在等待
线程 6 释放了资源
当前线程是 2, 还剩 0 个资源，还有 6 个线程在等待
线程 2 释放了资源
当前线程是 4, 还剩 0 个资源，还有 5 个线程在等待
线程 0 释放了资源
当前线程是 7, 还剩 0 个资源，还有 4 个线程在等待
线程 1 释放了资源
当前线程是 8, 还剩 0 个资源，还有 3 个线程在等待
线程 7 释放了资源
当前线程是 5, 还剩 0 个资源，还有 2 个线程在等待
线程 4 释放了资源
当前线程是 3, 还剩 0 个资源，还有 1 个线程在等待
线程 8 释放了资源
当前线程是 9, 还剩 0 个资源，还有 0 个线程在等待
线程 9 释放了资源
线程 5 释放了资源
线程 3 释放了资源

可以看到，在这次运行中，最开始是 1, 0, 6 这三个线程获得了资源，而其它线程进入了等待队列。然后当某个线程释放资源后，就会有等待队列中的线程获得资源。

当然，Semaphore 默认的 acquire 方法是会让线程进入等待队列，且抛出异常中断。但它还有一些方法可以忽略中断或不进入阻塞队列：

// 忽略中断
public void acquireUninterruptibly()
public void acquireUninterruptibly(int permits)

// 不进入等待队列，底层使用CAS
public boolean tryAcquire
public boolean tryAcquire(int permits)
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

Semaphore 原理

Semaphore 内部有一个继承了 AQSopen in new window 的同步器 Sync，重写了tryAcquireShared方法。在这个方法里，会去尝试获取资源。

如果获取失败（想要的资源数量小于目前已有的资源数量），就会返回一个负数（代表尝试获取资源失败）。然后当前线程就会进入 AQS 的等待队列。

Exchanger

Exchanger 类用于两个线程交换数据。它支持泛型，也就是说你可以在两个线程之间传送任何数据。先来一个案例看看如何使用，比如两个线程之间想要传送字符串：

public class ExchangerDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println("这是线程A，得到了另一个线程的数据："
                        + exchanger.exchange("这是来自线程A的数据"));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        System.out.println("这个时候线程A是阻塞的，在等待线程B的数据");
        Thread.sleep(1000);

        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println("这是线程B，得到了另一个线程的数据："
                        + exchanger.exchange("这是来自线程B的数据"));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

输出：

这个时候线程 A 是阻塞的，在等待线程 B 的数据
这是线程 B，得到了另一个线程的数据：这是来自线程 A 的数据
这是线程 A，得到了另一个线程的数据：这是来自线程 B 的数据

可以看到，当一个线程调用 exchange 方法后，会处于阻塞状态，只有当另一个线程也调用了 exchange 方法，它才会继续执行。

看源码可以发现它是使用 park/unpark 来实现等待状态切换的，但是在使用 park/unpark 方法之前，使用了 CASopen in new window 检查，估计是为了提高性能。

因为 Exchanger 支持泛型，所以我们可以传输任何的数据，比如 IO 流或者 IO 缓存。根据 JDK 里面注释的说法，可以总结为一下特性：

  • 此类提供对外的操作是同步的；
  • 用于成对出现的线程之间交换数据；
  • 可以视作双向的同步队列；
  • 可应用于基因算法、流水线设计等场景。

Exchanger 类还有一个有超时参数的方法，如果在指定时间内没有另一个线程调用 exchange，就会抛出一个超时异常。

public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)

那么问题来了，Exchanger 只能是两个线程交换数据吗？那三个调用同一个实例的 exchange 方法会发生什么呢？答案是只有前两个线程会交换数据，第三个线程会进入阻塞状态。

需要注意的是，exchange 是可以重复使用的。也就是说。两个线程可以使用 Exchanger 在内存中不断地再交换数据。

CountDownLatch

先来解读一下 CountDownLatch 这个类名的意义。CountDown 代表计数递减，Latch 是“门闩”的意思。也有人把它称为“屏障”。而 CountDownLatch 这个类的作用也很贴合这个名字的意义，假设某个线程在执行任务之前，需要等待其它线程完成一些前置任务，必须等所有的前置任务都完成，才能开始执行本线程的任务。

CountDownLatch 的方法也很简单，如下：

// 构造方法：
public CountDownLatch(int count)

public void await() // 等待
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) // 超时等待
public void countDown() // count - 1
public long getCount() // 获取当前还有多少count

CountDownLatch 案例

我们知道，玩游戏的时候，在游戏真正开始之前，一般会等待一些前置任务完成，比如“加载地图数据”，“加载人物模型”，“加载背景音乐”等等。只有当所有的东西都加载完成后，玩家才能真正进入游戏。下面我们就来模拟一下这个 demo。

public class CountDownLatchDemo {
    // 定义前置任务线程
    static class PreTaskThread implements Runnable {

        private String task;
        private CountDownLatch countDownLatch;

        public PreTaskThread(String task, CountDownLatch countDownLatch) {
            this.task = task;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                Random random = new Random();
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                System.out.println(task + " - 任务完成");
                countDownLatch.countDown();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 假设有三个模块需要加载
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);

        // 主任务
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println("等待数据加载...");
                System.out.println(String.format("还有%d个前置任务", countDownLatch.getCount()));
                countDownLatch.await();
                System.out.println("数据加载完成，正式开始游戏！");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        // 前置任务
        new Thread(new PreTaskThread("加载地图数据", countDownLatch)).start();
        new Thread(new PreTaskThread("加载人物模型", countDownLatch)).start();
        new Thread(new PreTaskThread("加载背景音乐", countDownLatch)).start();
    }
}

输出：

等待数据加载...
还有 3 个前置任务
加载人物模型 - 任务完成
加载背景音乐 - 任务完成
加载地图数据 - 任务完成
数据加载完成，正式开始游戏！

CountDownLatch 原理

其实 CountDownLatch 类的原理挺简单的，内部同样是一个继承了 AQSopen in new window 的实现类 Sync，且实现起来还很简单，可能是 JDK 里面 AQS 的子类中最简单的实现了，有兴趣的小伙伴可以去看看这个内部类的源码。

需要注意的是构造器中的计数值（count）实际上就是闭锁需要等待的线程数量。这个值只能被设置一次，而且 CountDownLatch没有提供任何机制去重新设置这个计数值。

CyclicBarrier

CyclicBarrirer 从名字上来理解是“循环屏障”的意思。前面提到了 CountDownLatch 一旦计数值count被降为 0 后，就不能再重新设置了，它只能起一次“屏障”的作用。而 CyclicBarrier 拥有 CountDownLatch 的所有功能，还可以使用reset()方法重置屏障。

如果参与者（线程）在等待的过程中，Barrier 被破坏，就会抛出 BrokenBarrierException。可以用isBroken()方法检测 Barrier 是否被破坏。

  1. 如果有线程已经处于等待状态，调用 reset 方法会导致已经在等待的线程出现 BrokenBarrierException 异常。并且由于出现了 BrokenBarrierException，将会导致始终无法等待。
  2. 如果在等待的过程中，线程被中断，会抛出 InterruptedException 异常，并且这个异常会传播到其他所有的线程。
  3. 如果在执行屏障操作过程中发生异常，则该异常将传播到当前线程中，其他线程会抛出 BrokenBarrierException，屏障被损坏。
  4. 如果超出指定的等待时间，当前线程会抛出 TimeoutException 异常，其他线程会抛出 BrokenBarrierException 异常。

CyclicBarrier 案例

我们同样用玩游戏的例子。如果玩一个游戏有多个“关卡”，那使用 CountDownLatch 显然不太合适，因为需要为每个关卡都创建一个实例。那我们可以使用 CyclicBarrier 来实现每个关卡的数据加载等待功能。

public class CyclicBarrierDemo {
    static class PreTaskThread implements Runnable {

        private String task;
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;

        public PreTaskThread(String task, CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.task = task;
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            // 假设总共三个关卡
            for (int i = 1; i < 4; i++) {
                try {
                    Random random = new Random();
                    Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                    System.out.println(String.format("关卡%d的任务%s完成", i, task));
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("本关卡所有前置任务完成，开始游戏...");
        });

        new Thread(new PreTaskThread("加载地图数据", cyclicBarrier)).start();
        new Thread(new PreTaskThread("加载人物模型", cyclicBarrier)).start();
        new Thread(new PreTaskThread("加载背景音乐", cyclicBarrier)).start();
    }
}

输出：

关卡 1 的任务加载地图数据完成
关卡 1 的任务加载背景音乐完成
关卡 1 的任务加载人物模型完成
本关卡所有前置任务完成，开始游戏...
关卡 2 的任务加载地图数据完成
关卡 2 的任务加载背景音乐完成
关卡 2 的任务加载人物模型完成
本关卡所有前置任务完成，开始游戏...
关卡 3 的任务加载人物模型完成
关卡 3 的任务加载地图数据完成
关卡 3 的任务加载背景音乐完成
本关卡所有前置任务完成，开始游戏...

注意这里跟 CountDownLatch 的代码有一些不同。CyclicBarrier 没有分为await()和countDown()，而是只有单独的一个await()方法。

一旦调用 await 方法的线程数量等于构造方法中传入的任务总量（这里是 3），就代表达到屏障了。CyclicBarrier 允许我们在达到屏障的时候可以执行一个任务，可以在构造方法传入一个 Runnable 类型的对象。

上述案例就是在达到屏障时，输出“本关卡所有前置任务完成，开始游戏...”。

// 构造方法
public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    // 具体实现
}

CyclicBarrier 原理

CyclicBarrier 虽说功能与 CountDownLatch 类似，但是实现原理却完全不同，CyclicBarrier 内部使用的是 Lockopen in new window + Conditionopen in new window 实现的等待/通知模式。详情可以查看这个方法的源码：

private int dowait(boolean timed, long nanos)

Phaser

Phaser 是 Java 7 中引入的一个并发同步工具，它提供了对动态数量的线程的同步能力，这与 CyclicBarrier 和 CountDownLatch 不同，因为它们都需要预先知道等待的线程数量。Phaser 是多阶段的，意味着它可以同步不同阶段的多个操作。

前面我们介绍了 CyclicBarrier，可以发现它在构造方法里传入了“任务总量”parties之后，就不能修改这个值了，并且每次调用await()方法也只能消耗一个parties计数。但 Phaser 可以动态地调整任务总量！

Phaser 是阶段性的，所以它有一个内部的阶段计数器。每当我们到达一个阶段的结尾时，Phaser 会自动前进到下一个阶段。

名词解释：

  • Party：Phaser 的上下文中，一个 party 可以是一个线程，也可以是一个任务。当我们在 Phaser 上注册一个 party 时，Phaser 会递增它的参与者数量。

  • arrive：对应一个 party 的状态，初始时是 unarrived，当调用arriveAndAwaitAdvance()或者 arriveAndDeregister()进入 arrive 状态，可以通过getUnarrivedParties()获取当前未到达的数量。

  • register：注册一个新的 party 到 Phaser。

  • deRegister：减少一个 party。

  • phase：阶段，当所有注册的 party 都 arrive 之后，将会调用 Phaser 的onAdvance()方法来判断是否要进入下一阶段。

Phaser 的终止有两种途径，Phaser 维护的线程执行完毕或者onAdvance()返回true。

Phaser 案例

还是游戏的案例。假设我们游戏有三个关卡，但只有第一个关卡有新手教程，需要加载新手教程模块。但后面的第二个关卡和第三个关卡都不需要。我们可以用 Phaser 来做这个需求。

代码：

public class PhaserDemo {
    static class PreTaskThread implements Runnable {

        private String task;
        private Phaser phaser;

        public PreTaskThread(String task, Phaser phaser) {
            this.task = task;
            this.phaser = phaser;
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 1; i < 4; i++) {
                try {
                    // 第二次关卡起不加载NPC，跳过
                    if (i >= 2 && "加载新手教程".equals(task)) {
                        continue;
                    }
                    Random random = new Random();
                    Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                    System.out.println(String.format("关卡%d，需要加载%d个模块，当前模块【%s】",
                            i, phaser.getRegisteredParties(), task));

                    // 从第二个关卡起，不加载NPC
                    if (i == 1 && "加载新手教程".equals(task)) {
                        System.out.println("下次关卡移除加载【新手教程】模块");
                        phaser.arriveAndDeregister(); // 移除一个模块
                    } else {
                        phaser.arriveAndAwaitAdvance();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Phaser phaser = new Phaser(4) {
            @Override
            protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {
                System.out.println(String.format("第%d次关卡准备完成", phase + 1));
                return phase == 3 || registeredParties == 0;
            }
        };

        new Thread(new PreTaskThread("加载地图数据", phaser)).start();
        new Thread(new PreTaskThread("加载人物模型", phaser)).start();
        new Thread(new PreTaskThread("加载背景音乐", phaser)).start();
        new Thread(new PreTaskThread("加载新手教程", phaser)).start();
    }
}

输出：

关卡 1，需要加载 4 个模块，当前模块【加载背景音乐】
关卡 1，需要加载 4 个模块，当前模块【加载新手教程】
下次关卡移除加载【新手教程】模块
关卡 1，需要加载 3 个模块，当前模块【加载地图数据】
关卡 1，需要加载 3 个模块，当前模块【加载人物模型】
第 1 次关卡准备完成
关卡 2，需要加载 3 个模块，当前模块【加载地图数据】
关卡 2，需要加载 3 个模块，当前模块【加载背景音乐】
关卡 2，需要加载 3 个模块，当前模块【加载人物模型】
第 2 次关卡准备完成
关卡 3，需要加载 3 个模块，当前模块【加载人物模型】
关卡 3，需要加载 3 个模块，当前模块【加载地图数据】
关卡 3，需要加载 3 个模块，当前模块【加载背景音乐】
第 3 次关卡准备完成

这里要注意关卡 1 的输出，在“加载新手教程”线程中调用了arriveAndDeregister()减少一个 party 之后，后面的线程使用getRegisteredParties()得到的是已经被修改后的 parties 了。但是当前这个阶段(phase)，仍然是需要 4 个 parties 都 arrive 才触发屏障的。从下一个阶段开始，才需要 3 个 parties 都 arrive 就触发屏障。

Phaser 类用来控制某个阶段的线程数量很有用，但它并不在意这个阶段具体有哪些线程 arrive，只要达到它当前阶段的 parties 值，就触发屏障。所以我这里的案例虽然制定了特定的线程（加载新手教程）来更直观地表述 Phaser 的功能，但其实 Phaser 是没有分辨具体是哪个线程的功能的，它在意的只是数量，这一点需要大家注意。

Phaser 原理

Phaser 类的原理相比起来要复杂得多。它内部使用了两个基于 Fork-Join 框架open in new window的原子类辅助：

private final AtomicReference<QNode> evenQ;
private final AtomicReference<QNode> oddQ;

static final class QNode implements ForkJoinPool.ManagedBlocker {
	// 实现代码
}

有兴趣的小伙伴可以去看看 JDK 源代码，这里不做过多叙述。

小结

总的来说，CountDownLatch，CyclicBarrier，Phaser 是一个比一个强大，但也一个比一个复杂，需要根据自己的业务需求合理选择。

编辑：沉默王二，部分内容来源于朋友小七萤火虫开源的这个仓库：深入浅出 Java 多线程open in new window

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