控制并发流程，做好线程间的协调

一、概述

1. 什么是控制并发流程？

线程一般是由线程调度器自动控制的，但有些场景需要按照我们程序员的意愿去实现多线程之间相互配合，从而满足业务逻辑。比如：

让线程A等待线程B执行完后再执行等一些相互合作的逻辑；
或一系列线程等待一个线程运行完毕或发出信号之后再执行

2. 控制并发流程工具类

在这里插入图片描述

二、 CountDownLatch 倒计时门栓

倒数（向下计数、倒着计数）count为0后，那些执行了 await() 方法陷入阻塞的线程就被唤醒继续执行。就像去做过山车时，等到空余座位为0时，就会发车。

1. 主要方法介绍

CountDownLatch(int count)：仅有这一个构造函数，参数count为需要倒数的数值。
await()：调用 await() 方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行。
countDown() ：将count值减1，等到为0时，那些等待的线程会被唤起。

2. 图解

在构造方法中指定倒数count值；
调用await的线程Ta会被挂起；
每调用countDown()，倒数count会减1；但是该线程不会被挂起，依然执行
当倒数count值为0时，之前执行await的线程就被唤醒，开始执行

3、代码演示

（1）用法①：一等多

一个线程等待多个线程都发出信号后，再继续自己的工作：

/**
 *      工厂中，质检，5个工人检查，当5个人都认为通过，才认为这个质检通过
 */
public class CountDownLatchDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);//指定倒数count为5
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);//线程池创建5个线程

        //5次任务质检
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            int no = i+1;
            Runnable runnable = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                        System.out.println("No." + no + ":质检完毕");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        countDownLatch.countDown();//倒计count减1
                    }
                }
            };

            pool.submit(runnable);
        }
        System.out.println("等待5个人质检完。。。。。");
        countDownLatch.await();//主线程等待倒时count=0，释放所有挂起线程，并主线进行工作
        System.out.println("质检完成");

    }
    
}

(2) 用法②：多等一

多个线程等待某个线程发出信号后，同时开始执行

/**
 *      模拟100m跑步，5名选手都准备好了，只能裁判员一生令下，5人同时跑出
 */
public class CountDownLatchDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);//线程池创建5个线程

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            int no = i+1;
            Runnable runnable = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("NO." + no + ":准备完毕，等待发令");
                    try {
                        countDownLatch.await();
                        System.out.println("No." + no + ":开始跑步");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            };
            pool.submit(runnable);
        }
        //主线程，模拟裁判员
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("发令枪响，比赛开始");
        countDownLatch.countDown();
    }
}

（3）综合用法：多等一 & 一等多

多等一：5名运动员等待裁判员打枪开跑；一等多：裁判员等5名运动员到达终点；

/**
 *      模拟100m跑步，5名选手都准备好了，只能裁判员一生令下，5人同时跑出，当所有人都到终点后，比赛结束
 */
public class CountDownLatchDemo3 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch end = new CountDownLatch(5);
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);//线程池创建5个线程

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            int no = i+1;
            Runnable runnable = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("NO." + no + ":准备完毕，等待发令");
                    try {
                        begin.await();
                        System.out.println("No." + no + ":开始跑步");
                        Thread.sleep((long) (Math.random()*10000));
                        System.out.println("No." + no + ":到达终点");
                        
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }finally {
                        end.countDown();
                    }
                }
            };
            pool.submit(runnable);
        }
        //主线程，模拟裁判员
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("发令枪响，比赛开始");
        begin.countDown();
        end.await();
        System.out.println("比赛结束！");
    }
}

4、注意点

他不能重复使用，当倒数count=0，该实例就失效了；
如果要再次使用，需要再实例化新的对象
可以实现多等多的情况

三、Semaphore 信号量

1. 作用

对于一些重量级服务，如执行时间长、处理消耗资源大，设置一下同时并发执行任务的线程个数，从而保障服务平稳运行。

用来限制或管理数量的有限资源的使用情况
类似于生活中的"许可证"，许可证数量有限，并且只有拿到“许可证”的线程才允许运行

2. 图解

3. 重要方法

new Semaphore(int permits,boolean fair)：初始化Semaphore并指定许可证的数量。这里可以设置是否使用公平策略，如果传入true，那么Semaphore会把之前等待的线程放到FIFO的队列里，以便于当有了新的许可证可以分发给之前等了最长时间的线程；
tryAcquire() ：看看现在有没有空闲的许可证，如果有的话就获取，如果没有的话也没关系，我不会陷入阻塞，我可以去做别的事，过一会再来查看许可证的空闲情况。
tryAcquire(timeout): 和tryAcquire() 一样，但是多了一个超时时间，比如“在3秒内获取不到许可证，我就去做别的事”
acquire()：获取许可证，可响应中断
acquireUninterruptibly()：获取许可证，拒绝响应中断
release()：释放许可证

4、代码演示

（1）一般用法：

public class SemaphoreDemo {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(3,true);
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(50);

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            pool.submit(new Task());
        }
        pool.shutdown();

    }
    static class Task implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":拿到许可证");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":释放许可证");
            semaphore.release();
        }
    }
}

(2) 特殊用法

一次性获取或释放多个许可证。

public class SemaphoreDemo {

    static Semaphore semaphore = new Semaphore(5, true);

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(50);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            service.submit(new Task());
        }
        service.shutdown();
    }

    static class Task implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到了许可证");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了许可证");
            semaphore.release(3);
        }
    }
}

什么时候需要一次性获取多个许可证：

比如 TaskA 会调用很消耗资源的 method1()，而 TaskB 调用的是不太消耗资源的 method2()，假设我们一共有5个许可证。那么我们就可以要求 TaskA 获取5个许可证才能执行，而 TaskB 只需要获取到一个许可证就能执行，这样就避免了A和B同时运行的情况，我们可以根据自己的需求，通过分配许可证的方式合理分配资源。

5、注意点

获取&释放的许可证数量要求必须一致，否则程序运行到最后，许可证都会被占用，就会都陷入阻塞
根据情况设置公平性，一般设置为true，这样可以避免线程饥饿
释放和获取对线程没有要求，可以由这个线程A获取，别的线程B释放
可以将它实现成一个轻量级的CountDownLatch，比如信号量Semaphore的许可证数量为1，线程A获取到，线程B执行 acquire() 再获取时，就会陷入阻塞，线程A 执行release() 之后，线程B才能执行，相当于 CountDownLatch 的唤醒

四、Condition条件对象

1. 作用

当线程1需要等待某个条件的时候，它就去执行condition.await0方法，一旦执行了await0方法，线程就会进入阻塞状态。

然后通常会有另外一个线程，假设是线程2，去执行对应的条件，直到这个条件达成的时候，线程2就会去执行condition.signal() 方法，这时JVM就会从被阻塞的线程里，找到那些等待该condition的线程，这时线程1就会收到可执行信号，它的线程状态就会变成Runnable可执行状态

2. 图解

3、signalAll() 和 signal() 的区别

signalAll()唤醒所有等待的线程，signal()唤醒一个
signal()是公平的，会唤醒等待时间最长的线程

4、代码演示

（1）基本用法

condition一般是绑定在锁lock上面的，基本用法如下：

public class ConditionDemo1 {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condtion = lock.newCondition();

    void method1() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try{
            System.out.println("条件不满足，开始wait");
            condtion.await();
            System.out.println("条件满足，开始执行后续的任务");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    void method2(){
        lock.lock();
        try{
            System.out.println("准备工作完成，开始唤醒其他线程");
            condtion.signal();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    //主函数
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ConditionDemo1 demo1 = new ConditionDemo1();
        //主线程创建一个线程1
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    demo1.method2();//线程1，1秒后，唤醒主线程
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        demo1.method1();//主线程阻塞
    }
    
}

（2）用Condition实现生产者消费者模式

/**
 *      演示Condition实现生产者消费者模式
 */
public class ConditionDemo2 {
    private static int queueSize = 10;
    private static PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>(queueSize);

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private static Condition noFull = lock.newCondition();
    private static Condition notEmpty = lock.newCondition();

    //消费者
    static class Consumer extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            comsume();
        }

        //消费操作
        void comsume(){
            while (true){
                lock.lock();
                try {
                    while (queue.size()==0){
                        System.out.println("队列空，等待数据");
                        notEmpty.await();
                    }
                    queue.poll();
                    noFull.signalAll();
                    System.out.println("从队列里取走了一个数据，队列还剩余空间"+(queueSize-queue.size())+"个元素");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    //生产者
    static class Producer extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }

        //生产操作
        void produce(){
            while (true){
                lock.lock();
                try {
                    while (queue.size()==queueSize){
                        System.out.println("队列满，等待消费");
                        noFull.await();
                    }
                    queue.offer(1);
                    notEmpty.signalAll();
                    System.out.println("给队列生成了一个数据，队列有"+queue.size()+"个元素");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    //主函数
    public static void main(String[] args) {
        Consumer consumer = new Consumer();
        Producer producer = new Producer();
        consumer.start();
        producer.start();
    }

}

5. 注意点

实际上，如果说Lock可以用来代替synchronized，那么Condition就可以用来代替相对应的Obiect.wait/notify的，所以Condition在用法和性质上，几乎和Obiect.wait/notify都一样
await方法执行后会自动释放持有的Lock锁，和Object.wait一样，不需要自己手动先释放锁
调用await的时候，必须持有锁，否则会抛出异常，和Object.wait一样

五、CyclicBarrier循环栅栏

1. 作用

CyclicBarrier循环栅栏和CountDownLatch很类似，都能阻塞一组线程
当有大量线程相互配合，分别计算不同任务，并且需要最后统汇总的时候，我们可以使用CyclicBarrier。CvclicBarrier可以构造一个集结点，每一个线程执行完毕后，都会到集结点等待，直到所有线程都到了集结点，那么该栅栏就被撤销，所有线程再统一出发，继续执行剩下的任务
就像我们在生活中聚会时，首先约定咱们3个人明天中午在学校碰面，都到齐后再一起继续接下来的安排。
CyclicBarrier循环栅栏是可以重复使用的，这一点和 CountDownLatch 不一样

2、代码演示

public class CyclicBarrierDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //参数1：设置几个等待数
        //参数2：当线程数满足条件后，执行的任务
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("五个到齐，走一波");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            }
        });

        //创建10个线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Task(i,cyclicBarrier)).start();
        }

    }

    static class Task implements Runnable{
        private int id;
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;

        public Task(int id, CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.id = id;
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+id+"，现在前往集合地点");
            try {
                Thread.sleep((long) (Math.random()*10000));
                System.out.println("线程"+id+":达到集合地点，开始等待其他人到达");
                cyclicBarrier.await();//陷入等待
                System.out.println("线程"+id+":出发了！！！");
            } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

每当凑齐五个之后，就出发一波，cyclicBarrier可以被重复使用。

3、CountDownLatch & CyclicBarrier 的区别

作用不同
- CountDownLatch：对应的是事件，完成某个事件就可以调用countDown()，一个线程可执行多次countDown()，且该线程不会阻塞
- CyclicBarrier：对应的是线程，每个线程都执行await()，线程执行完await()会阻塞，达到指定的数量才会继续运行，
可重用性不同
- CountDownLatch：倒数count到0之后，该实例就不能再使用
- CyclicBarrier：满足指定的数量条件后，就继续执行，且可再次使用
结束后统一工作
- CountDownLatch：结束后就只是唤醒线程继续工作
- CyclicBarrier：可以在CyclicBarrier的构造函数中自定义 runnable 任务，结束后会执行该任务