AQS之Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier_aqs 共享锁 countdownlatch 和循环屏障

Semaphore

信号量，也是基于AQS实现的一种类似操作系统PV操作的在Java层面实现的互斥锁。

PV操作

PV操作是操作系统一种实现进程互斥与同步的有效方法。PV操作与信号量（S）的处理相关，P表示通过的意思，V表示释放的意思。用PV操作来管理共享资源时，首先要确保PV操作自身执行的正确性。

P操作的主要动作是：

1. S减1；
2. 若S减1后仍大于或等于0，则进程继续执行；
3. 若S减1后小于0，则该进程被阻塞后放入等待该信号量的等待队列中，然后转进程调度。

V操作的主要动作是：

1. S加1；
2. 若相加后结果大于0，则进程继续执行；
3. 若相加后结果小于或等于0，则从该信号的等待队列中释放一个等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

Semaphore构造方法

非公平，permits指的是可用资源的数量

   public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }

公平，fair为true则代表公平

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

常用方法

  public void acquire() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
 
    public void release() {
        sync.releaseShared(1);
    }

• acquire() 表示阻塞并获取许可
• release() 表示释放许可

其他方法

public boolean tryAcquire()
public int availablePermits()
public final int getQueueLength()
public final boolean hasQueuedThreads()
protected void reducePermits(int reduction)
protected Collection<Thread> getQueuedThreads()

• tryAcquire() 方法在没有许可的情况下会立即返回 false，要获取许可的线程不会阻塞
• int availablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数。
• int getQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数。
• boolean hasQueuedThreads()：是否有线程正在等待获取许可证。
• void reducePermit（int reduction）：减少 reduction 个许可证 。
• Collection getQueuedThreads()：返回所有等待获取许可证的线程集合 。

应用场景

限流

 /**
     * 实现一个同时只能处理5个请求的限流器
     */
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
 
    /**
     * 定义一个线程池
     */
    private static ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor
            (10, 50, 60,
                    TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(200));
 
    /**
     * 模拟执行方法
     */
    public static void exec() {
        try {
            //占用1个资源
            semaphore.acquire(1);
            //TODO  模拟业务执行
            System.out.println("执行exec方法");
            Thread.sleep(2000);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //释放一个资源
            semaphore.release(1);
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        {
            for (; ; ) {
                Thread.sleep(100);
                // 模拟请求以10个/s的速度
                executor.execute(() -> exec());
            }
        }
    }

结论：并发场景下，同一时间只允许设定资源数量的线程获取到锁。

源码分析

1. ReentrantLock比较，Semaphore会先判断中断标志位，然后再去获取锁。
2. 由于SemaPhore是共享锁，在获取锁的过程中，不会像ReentrantLock一样设置可重入。
3. 在释放锁阶段，大致与ReentrantLock一样，区别在于唤醒等待线程时，SemaPhore会根据可用资源的个数决定是否唤醒当前释放锁线程的下一节点的后续线程。

CountDownLatch

是一个计数类型的同步协助类的共享锁，它允许一个或多个线程等待，直到操作完成为止。

实现原理是初始化的时候会先设置一个数值，然后通过await进行阻塞，再调用countDown对数值进行-1操作，直到值为0会直接执行所有等待的线程。

public class CountDownLatch {
    /**
     * Synchronization control For CountDownLatch.
     * Uses AQS state to represent count.
     */
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
 
        Sync(int count) {
            setState(count);
        }

对应的其实使用的还是AQS中的state

构造方法

    public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
    }

常用方法

  public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }
    public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }

await()：阻塞，无时限等待CountDownLatch中数值变为0，才执行线程中逻辑

await(long timeout, TimeUnit unit)：阻塞，有时限等待CountDownLatch中数值变为0，才执行线程中逻辑。

countDown()：将count的值-1，直至为0。

应用场景

单线程等待

        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    //准备完毕，阻塞在这，等待号令
                    //countDownLatch.await(1000, TimeUnit.SECONDS);
                    countDownLatch.await();
                    String parter = "【" + Thread.currentThread().getName() + "】";
                    System.out.println(parter + "开始执行……");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
 
        Thread.sleep(2000);
        countDownLatch.countDown();// 执行发令
    }

多线程等待

      CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int index = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000 +
                            ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000));
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + " finish task" + index);
 
                    countDownLatch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        // 主线程在阻塞，当计数器==0，就唤醒主线程往下执行。
        countDownLatch.await();
        System.out.println("主线程:在所有任务运行完成后，进行结果汇总");
 
    }

把count的-1操作放到线程中，意味着前置线程执行结束，此时可执行阻塞的主线程。

实现原理

• 调用countDown()实则是对AQS中的state进行-1操作
• 当state值为0时，调用unPark唤醒阻塞线程，由最后一个countDown执行调用

线程中的join方法也能让线程等待，它和CountDownLock的区别在于

• CountDownLatch可以手动控制在n个线程里调用n次countDown()方法使计数器进行减一操作，也可以在一个线程里调用n次执行减一操作。
• 而 join() 的实现原理是不停检查join线程是否存活，如果 join 线程存活则让当前线程永远等待。所以两者之间相对来说还是CountDownLatch使用起来较为灵活。

CyclicBarrier

循环屏障，同countDownLatch一样可以让线程等待，它会让一组线程等待到某个状态之后再执行，但它还可以等所有线程释放后，再重复和之前一组线程的类似的等待，可循环利用。

和CountDownLatch的区别

1. CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset() 方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景，比如如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程们重新执行一次

2. CyclicBarrier还提供getNumberWaiting(可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量)、 isBroken(用来知道阻塞的线程是否被中断)等方法。

3. CountDownLatch会阻塞主线程，CyclicBarrier不会阻塞主线程，只会阻塞子线程。

4. CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同。CountDownLatch一般用于一个或多个线程，等待其他线程执行完任务后，再执行。CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行。

5. CyclicBarrier 还可以提供一个 barrierAction，合并多线程计算结果。

6. CyclicBarrier是通过ReentrantLock的"独占锁"和Conditon来实现一组线程的阻塞唤醒的，而CountDownLatch则是通过AQS的“共享锁”实现

构造方法

参数parties代表的是初始化让等待的线程数量，barrierAction则是在阻塞时要先执行的任务，属性中的parties是代表的count的计数副本，会记录初始的count值，等待一组线程释放后使用。

  public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }
    public CyclicBarrier(int parties) {
        this(parties, null);
    }

常用方法

await方法的作用是当一组线程全部调用了该方法，就开始执行业务逻辑

  public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
        try {
            return dowait(false, 0L);
        } catch (TimeoutException toe) {
            throw new Error(toe); // cannot happen
        }
    }
 
    public int await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException,
               BrokenBarrierException,
               TimeoutException {
        return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
    }

应用场景

可用于多线程合并计算结果

private ConcurrentHashMap<String, Integer> map=new ConcurrentHashMap<String,Integer>();
 
    private ExecutorService threadPool= Executors.newFixedThreadPool(3);
 
    private CyclicBarrier cb=new CyclicBarrier(3,()->{
        int result=0;
        Set<String> set = map.keySet();
        for(String s:set){
            result+=map.get(s);
        }
        System.out.println("三人平均成绩为:"+(result/3)+"分");
    });
 
 
    public void count(){
        for(int i=0;i<3;i++){
            threadPool.execute(new Runnable(){
 
                @Override
                public void run() {
                    //获取学生平均成绩
                    int score=(int)(Math.random()*40+60);
                    map.put(Thread.currentThread().getName(), score);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            +"同学的平均成绩为："+score);
                    try {
                        //执行完运行await(),等待所有学生平均成绩都计算完毕
                        cb.await();
                    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
 
            });
        }
    }
 
 
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrierTest2 cb=new CyclicBarrierTest2();
        cb.count();
    }

可应用于多线程等待的重复事件

public static void main(String[] args) {
 
        AtomicInteger counter = new AtomicInteger();
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
                5, 5, 1000, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(100),
                (r) -> new Thread(r, counter.addAndGet(1) + " 号 "),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
 
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5,
                () -> System.out.println("裁判：比赛开始~~"));
 
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threadPoolExecutor.submit(new Runner(cyclicBarrier));
        }
 
    }
    static class Runner extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Runner (CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
 
        @Override
        public void run() {
            try {
                int sleepMills = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000);
                Thread.sleep(sleepMills);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 选手已就位, 准备共用时： " + sleepMills + "ms" + cyclicBarrier.getNumberWaiting());
                cyclicBarrier.await();
 
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }