Java 同步器

由 chalex 创建,小路依依 最后一次修改 2017-01-09

Java线程教程 - Java同步器


同步器对象与一组线程一起使用。

它维护一个状态,根据它的状态,它让一个线程通过或强迫它等待。

本节将讨论四种类型的同步器:

  • Semaphores
  • Barriers
  • Latches
  • Exchangers

信号量

信号量用于控制可以访问资源的线程数。

java.util.concurrent包中的Semaphore类表示信号量同步器。

您可以使用其构造函数创建信号量,如下所示:

final int MAX_PERMITS  = 3;
Semaphore  s = new Semaphores(MAX_PERMITS);

Semaphore类的另一个构造函数使用公平作为第二个参数

final int MAX_PERMITS  = 3;
Semaphore  s = new Semaphores(MAX_PERMITS,  true); // A  fair  semaphore

如果你创建一个公平的信号量,在多线程请求许可的情况下,信号量将保证先进先出(FIFO)。也就是说,首先请求许可的线程将首先获得许可。

要获取许可证,请使用acquire()方法。

如果许可证可用,它立即返回。

它阻止如果许可证不可用。线程在等待许可证可用时可能中断。

Semaphore类的其他方法允许您一次性获取一个或多个许可证。要释放许可证,请使用release()方法。

以下代码显示了一个Restaurant类,它使用信号量来控制对表的访问。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Semaphore;

class Restaurant {
  private Semaphore tables;

  public Restaurant(int tablesCount) {
    this.tables = new Semaphore(tablesCount);
  }

  public void getTable(int customerID) {
    try {
      System.out.println("Customer  #" + customerID
          + "  is trying  to  get  a  table.");
      tables.acquire();
      System.out.println("Customer #" + customerID + "  got  a  table.");
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  public void returnTable(int customerID) {
    System.out.println("Customer #" + customerID + "  returned a  table.");
    tables.release();
  }
}
class RestaurantCustomer extends Thread {
  private Restaurant r;
  private int customerID;
  private static final Random random = new Random();

  public RestaurantCustomer(Restaurant r, int customerID) {
    this.r = r;
    this.customerID = customerID;
  }
  public void run() {
    r.getTable(this.customerID); // Get a table
    try {
      int eatingTime = random.nextInt(30) + 1;
      System.out.println("Customer #" + this.customerID
          + "  will eat for " + eatingTime + "  seconds.");
      Thread.sleep(eatingTime * 1000);
      System.out.println("Customer #" + this.customerID
          + "  is done  eating.");
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
      r.returnTable(this.customerID);
    }
  }
}
public class Main{
  public static void main(String[] args) {
    Restaurant restaurant = new Restaurant(2);
    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
      RestaurantCustomer c = new RestaurantCustomer(restaurant, i);
      c.start();
    }
  }
}

上面的代码生成以下结果。

障碍器

屏障使一组线在屏障点汇合。

来自到达屏障的组的线程等待,直到该组中的所有线程到达。

一旦组中的最后一个线程到达屏障,组中的所有线程都将被释放。

当你有一个可以分成子任务的任务时,你可以使用一个屏障;每个子任务可以在单独的线程中执行,并且每个线程必须在共同点处相遇以组合它们的结果。

java.util.concurrent包中的CyclicBarrier类提供了屏障同步器的实现。

CyclicBarrier类可以通过调用其reset()方法来重用。

以下代码显示了如何在程序中使用循环障碍。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

class Worker extends Thread {
  private CyclicBarrier barrier;
  private int ID;
  private static Random random = new Random();

  public Worker(int ID, CyclicBarrier barrier) {
    this.ID = ID;
    this.barrier = barrier;
  }
  public void run() {
    try {
      int workTime = random.nextInt(30) + 1;
      System.out.println("Thread #" + ID + " is going to work for " + workTime + "  seconds");
      Thread.sleep(workTime * 1000);
      System.out.println("Thread #" + ID + " is waiting at the barrier.");
      this.barrier.await();
      System.out.println("Thread #" + ID + " passed the barrier.");
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
      System.out.println("Barrier is broken.");
    }
  }

}
public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    Runnable barrierAction = () -> System.out.println("We are ready.");
    CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, barrierAction);
    for (int i = 1; i <= 3; i++) {
      Worker t = new Worker(i, barrier);
      t.start();
    }
  }
}

上面的代码生成以下结果。

Phasers

Phaser提供类似于CyclicBarrier和CountDownLatch同步器的功能。它提供以下功能:

Phaser是可重复使用的。

在Phaser上同步的参与方数量可以动态更改。在循环障碍中,当创建障碍时,方的数量是固定的。

移相器具有相关的相位编号,从零开始。当所有注册方都到达移相器时,移相器进入下一个阶段,阶段编号加1。相位编号的最大值为Integer.MAX_VALUE。在其最大值之后,相位编号重新从零开始。

Phaser有终止状态。在终止状态的Phaser上调用的所有同步方法立即返回,而不等待提前。

移相器有三种类型的参与者计数:注册参与者计数,到达参与者计数和未参与方计数。

注册方数量是注册同步的方的数量。到达的当事方数目是已经到达移相器的当前阶段的各方的数目。

未携带者数量是尚未到达移动器的当前阶段的各方的数量。

当最后一方到达时,移相器前进到下一阶段。

或者,当所有注册方都到达移动器时,Phaser可以执行移相器操作。

CyclicBarrier允许您执行屏障操作,这是一个Runnable任务。

我们通过在Phaser类的onAdvance()方法中编写代码来指定移相器操作。

我们需要继承Phaser类,并覆盖onAdvance()方法以提供Phaser动作。

以下代码显示了如何表示通过在Phaser上同步启动的任务

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Phaser;

class StartTogetherTask extends Thread {
  private Phaser phaser;
  private String taskName;
  private static Random rand = new Random();

  public StartTogetherTask(String taskName, Phaser phaser) {
    this.taskName = taskName;
    this.phaser = phaser;
  }

  @Override
  public void run() {
    System.out.println(taskName + ":Initializing...");
    int sleepTime = rand.nextInt(5) + 1;
    try {
      Thread.sleep(sleepTime * 1000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println(taskName + ":Initialized...");
    phaser.arriveAndAwaitAdvance();
    System.out.println(taskName + ":Started...");
  }
}

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    Phaser phaser = new Phaser(1);
    for (int i = 1; i <= 3; i++) {
      phaser.register();
      String taskName = "Task  #" + i;
      StartTogetherTask task = new StartTogetherTask(taskName, phaser);
      task.start();
    }
    phaser.arriveAndDeregister();
  }
}

上面的代码生成以下结果。

例子

以下代码显示了如何向Phaser添加Phaser Action。

import java.util.concurrent.Phaser;

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    Phaser phaser = new Phaser() {
      protected boolean onAdvance(int phase, int parties) {
        System.out.println("Inside onAdvance(): phase  = " + phase
            + ",  Registered Parties = " + parties);
        // Do not terminate the phaser by returning false
        return false;
      }
    };
    // Register the self (the "main" thread) as a party 
    phaser.register();
    System.out.println("#1: isTerminated():" + phaser.isTerminated());
    phaser.arriveAndDeregister();

    // Trigger another phase advance
    phaser.register();
    phaser.arriveAndDeregister();

    System.out.println("#2: isTerminated():" + phaser.isTerminated());
    phaser.forceTermination();
    System.out.println("#3: isTerminated():" + phaser.isTerminated());
  }
}

上面的代码生成以下结果。

例2

以下代码显示如何使用移相器生成一些整数。

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Phaser;

class AdderTask extends Thread {
  private Phaser phaser;
  private String taskName;
  private List<Integer> list;

  public AdderTask(String taskName, Phaser phaser, List<Integer> list) {
    this.taskName = taskName;
    this.phaser = phaser;
    this.list = list;
  }

  @Override
  public void run() {
    do {
      System.out.println(taskName + "  added  " + 3);
      list.add(3);
      phaser.arriveAndAwaitAdvance();
    } while (!phaser.isTerminated());
  }
}

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    final int PHASE_COUNT = 2;
    Phaser phaser = new Phaser() {
      public boolean onAdvance(int phase, int parties) {
        System.out.println("Phase:" + phase + ", Parties:" + parties
            + ",  Arrived:" + this.getArrivedParties());
        boolean terminatePhaser = false;
        if (phase >= PHASE_COUNT - 1 || parties == 0) {
          terminatePhaser = true;
        }

        return terminatePhaser;
      }
    };
    List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
    int ADDER_COUNT = 3;
    phaser.bulkRegister(ADDER_COUNT + 1);
    for (int i = 1; i <= ADDER_COUNT; i++) {
      String taskName = "Task  #" + i;
      AdderTask task = new AdderTask(taskName, phaser, list);
      task.start();
    }
    while (!phaser.isTerminated()) {
      phaser.arriveAndAwaitAdvance();
    }
    int sum = 0;
    for (Integer num : list) {
      sum = sum + num;
    }
    System.out.println("Sum = " + sum);
  }
}

上面的代码生成以下结果。

锁存器

锁存器使一组线程等待,直到它到达其终端状态。

一旦锁存器达到其终端状态,它允许所有线程通过。

与障碍不同,它是一个一次性的对象。它不能被重置和重用。

使用锁存器,其中在一定数量的一次性活动完成之前,多个活动不能进行。

例如,一个服务不应该启动,直到它依赖的所有服务都已启动。

java.util.concurrent包中的CountDownLatch类提供了一个锁存器的实现。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
class LatchHelperService extends Thread {
  private int ID;
  private CountDownLatch latch;
  public LatchHelperService(int ID, CountDownLatch latch) {
    this.ID = ID;
    this.latch = latch;
  }
  public void run() {
    try {
      Thread.sleep(1000);
      System.out.println("Service #" + ID + "  has  started...");
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
      this.latch.countDown();
    }
  }
}

class LatchMainService extends Thread {
  private CountDownLatch latch;

  public LatchMainService(CountDownLatch latch) {
    this.latch = latch;
  }
  public void run() {
    try {
      System.out.println("waiting for services to start.");
      latch.await();
      System.out.println("started.");
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    // Create a countdown latch with 2 as its counter
    CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
    LatchMainService ms = new LatchMainService(latch);
    ms.start();
    for (int i = 1; i <= 2; i++) {
      LatchHelperService lhs = new LatchHelperService(i, latch);
      lhs.start();
    }
  }
}

上面的代码生成以下结果。

交换器

交换器允许两个线程在同步点处等待彼此。

当两个线程到达时,它们交换一个对象并继续他们的活动。

Exchanger类提供了交换器同步器的实现。

以下代码显示将使用交换器与客户交换数据的生产者线程。

import java.util.ArrayList;
import java.util.concurrent.Exchanger;

class ExchangerProducer extends Thread {
  private Exchanger<ArrayList<Integer>> exchanger;
  private ArrayList<Integer> buffer = new ArrayList<Integer>();
  public ExchangerProducer(Exchanger<ArrayList<Integer>> exchanger) {
    this.exchanger = exchanger;
  }

  public void run() {
    while (true) {
      try {
        System.out.println("Producer.");
        Thread.sleep(1000);
        fillBuffer();
        System.out.println("Producer has produced and waiting:" + buffer);
        buffer = exchanger.exchange(buffer);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }

  public void fillBuffer() {
    for (int i = 0; i <= 3; i++) {
      buffer.add(i);
    }
  }
}

class ExchangerConsumer extends Thread {
  private Exchanger<ArrayList<Integer>> exchanger;
  private ArrayList<Integer> buffer = new ArrayList<Integer>();
  public ExchangerConsumer(Exchanger<ArrayList<Integer>> exchanger) {
    this.exchanger = exchanger;
  }

  public void run() {
    while (true) {
      try {
        System.out.println("Consumer.");
        buffer = exchanger.exchange(buffer);
        System.out.println("Consumer  has received:" + buffer);
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("eating:"+buffer);
        buffer.clear();
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }  
}
public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    Exchanger<ArrayList<Integer>> exchanger = new Exchanger<>();
    ExchangerProducer producer = new ExchangerProducer(exchanger);
    ExchangerConsumer consumer = new ExchangerConsumer(exchanger);
    producer.start();
    consumer.start();
  }
}

上面的代码生成以下结果。

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