CountDownLatch 闭锁、FutureTask、Semaphore信号量、Barrier栅栏

　　同步工具类可以是任何一个对象。阻塞队列可以作为同步工具类，其他类型的同步工具类还包括信号量(Semaphore)、栅栏(Barrier)、以及闭锁(Latch)。

　　所有的同步工具类都包含一些特定的结构化属性:它们封装了一些状态，这些状态将决定执行同步工具类的线程是继续执行还是等待，此外还提供了一些方法对状态进行操作，以及另一些方法用于高效地等待同步工具类进入到预期状态。

1.闭锁

　　闭锁是一种同步工具类，可以延迟线程进度直到其到达终止状态。闭锁的作用相当于一扇门:在闭锁到达结束状态之前，这扇门一直是关闭的，并且没有任何线程能通过，当到达结束状态时允许所有的线程通过。当闭锁到达结束状态后，将不会再改变状态，因此这扇门将永远打开。闭锁可以用来确保某些活动直到其他活动都完成才继续执行。

1.1 CountDownLatch

　　CountDownLatch是一种灵活的闭锁实现，它可以使一个或多个线程等待一组线程。闭锁状态包括一个计数器，该计数器被初始化为一个正数，表示需要等待的事件数量。countDown递减计数器，表示一个事件已经发生，而await方法等待计数器达到零，这表示所有需要等待的事件都已经发生。如果计数器的值非零，那么await会一直阻塞直到计数器为零，或者等待中的线程中断，或者等待超时。

查看源码发现:我们传进去的参数相当于内部Sync的状态，每次调用countDown的时候将状态值减一，状态值为0表示结束状态(await会解除阻塞)

    public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
    }
    public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }
    public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

查看sync的源码:

    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

        Sync(int count) {
            setState(count);
        }
    ...
}

例如:实现一个统计多个线程并发执行任务的用时功能:

　　当线程执行run中代码的时候会阻塞到startLatch.await(); 直到主线程调用startLatch.countDown(); 将计数器减一。这时所有线程开始执行任务。

　　当线程执行完的时候endLatch.countDown();将结束必锁的计数器减一，此时主线程阻塞在endLatch.await();，直到5个线程都执行完主线程也解除阻塞。

package cn.qlq.thread.tone;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

/**
 *
 * @author Administrator
 *
 */
public class Demo4 {
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(Demo4.class);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final CountDownLatch startLatch = new CountDownLatch(1);
        final CountDownLatch endLatch = new CountDownLatch(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread.sleep(1 * 1000);
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        startLatch.await();// 起始闭锁的计数器阻塞等到计数器减到零（标记第一个线程开始执行）
                        Thread.sleep(1 * 1000);
                        endLatch.countDown();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }

        // 实现计时
        long startTime = System.nanoTime();
        startLatch.countDown();// 将起始闭锁的计数器减一
        endLatch.await();// 结束闭锁阻塞直到计数器为零
        long endTime = System.nanoTime();
        LOGGER.error("结束,用时{}", endTime - startTime);
    }
}

1.2 FutureTask

　　FutureTask也可以用做闭锁。(Futuretask实现了Future的语义，表示一种抽象的可生成计算结果的计算)。FutureTask的计算是通过Callable实现的，相当于一种可生产运算结果的Runnable，并且可以处于以下三种状态:等待运行、正在运行和运行完成。执行完成表示计算的所有可能结束方式，包括正常结束、异常取消和运行完成。当FutureTask进入完成状态后，它会永远停止在这个状态。

　　Future.get取决于任务的状态。如果任务已经完成，那么get会立即返回结果；否则get将阻塞直到任务进入完成状态，然后返回结果或者抛出异常。FutureTask将计算结果从执行计算的线程传递到获取这个结果的线程，而FutureTask的规范确保了这种传递过程能实现结果的安全发布。

package threadTest;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

/**
 * 实现callable接口，实现Callable接口
 *
 *
 */
public class MyCallable implements Callable<String> {

    /**
     * 实现call方法，接口中抛出异常。因为子类不可以比父类干更多的坏事，所以子类可以不抛出异常
     */
    @Override
    public String call() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "   执行callable的call方法");
        return "result";
    }

    public static void main(String[] args) {
        test1();
    }

    /**
     * 单个线程
     */
    public static void test1() {
        // 1.创建固定大小的线程池
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(1);
        // 2.提交线程任务，用Future接口接受返回的实现类
        Future<String> future = es.submit(new MyCallable());
        // 3.关闭线程池
        es.shutdown();
        // 4.调用future.get()获取callable执行完成的返回结果
        String result;
        try {
            result = future.get();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + result);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

结果：

pool-1-thread-1 执行callable的call方法
main result

查看源码:

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
    private volatile int state;
    private static final int NEW          = 0;
    private static final int COMPLETING   = 1;
    private static final int NORMAL       = 2;
    private static final int EXCEPTIONAL  = 3;
    private static final int CANCELLED    = 4;
    private static final int INTERRUPTING = 5;
    private static final int INTERRUPTED  = 6;

    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);
        return report(s);
    }
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private V report(int s) throws ExecutionException {
        Object x = outcome;
        if (s == NORMAL)
            return (V)x;
        if (s >= CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        throw new ExecutionException((Throwable)x);
    }
...}

2.Semaphore 信号量

　　计数信号量(counting Semaphore)用来控制同时访问某个资源的数量，或者同时执行某个操作的数量。计数信号量还可以实现某种资源池，或者对容器实施边界。

　　信号量是1个的Semaphore意味着只能被1个线程占用，可以用来设计同步(相当于互斥锁)。信号量大于1的Semaphore可以用来设计控制并发数，或者设计有界容器。

　　Semaphore中管理着一组虚拟的许可(permit)，许可的初始数量可由构造函数指定。在执行操作时首先获得许可(只要还有剩余的许可)，并在使用后释放。如果没有许可，那么acquire将会一直阻塞直到有许可(或者直到中断或者操作超时)。release方法将返回一个许可给信号量。计算信号量的一种简化形式是二值信号量，即初始值为1的Semaphore。二值信号量可以用作互斥体(mutex)，并具备不可重入的加锁语义:谁拥有了这个唯一的许可谁就拥有了互斥锁。

例如:例如信号量构造一个有界阻塞容器:

　　信号量的计数值初始化为容器的最大值。add操作在向底层容器添加一个元素之前，首先要获取一个许可。如果add没有添加任何元素，那么会立刻释放信号量。同样，remove操作释放一个许可，使更多的元素能加到容器中。

class BoundedHashSet<T> {
    private Set<T> set;
    private Semaphore semaphore;

    public BoundedHashSet(int bound) {
        set = Collections.synchronizedSet(new HashSet());
        semaphore = new Semaphore(bound);
    }

    public boolean add(T o) throws InterruptedException {
        semaphore.acquire();// 尝试获取信号量
        boolean wasAdded = false;
        try {
            wasAdded = set.add(o);
            return wasAdded;
        } finally {
            if (!wasAdded) {// 如果添加失败就释放信号量，添加成功就占用一个信号量
                semaphore.release();
            }
        }
    }

    public boolean remove(T o) throws InterruptedException {
        boolean remove = set.remove(o);
        if (remove)// 如果删除成功之后就释放一个信号量
            semaphore.release();
        return remove;
    }
}

测试代码:

        BoundedHashSet<String> boundedHashSet = new BoundedHashSet<String>(3);
        System.out.println(boundedHashSet.add("1"));
        System.out.println(boundedHashSet.add("2"));
        System.out.println(boundedHashSet.add("2"));
        System.out.println(boundedHashSet.add("3"));
        System.out.println(boundedHashSet.add("4"));// 将会一直阻塞到这里
        System.out.println("=========");

结果:（JVM不会关闭）

注意:

1.Semaphore可以指定公平锁还是非公平锁,默认是非公平锁

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

2.acquire方法和release方法是可以有参数的，表示获取/返还的信号量个数

    public void acquire() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

3. Barrier栅栏

　　栅栏(Barrier)类似于闭锁(一种同步工具，可以延迟线程直到其达到其终止状态)，它能阻塞一组线程直到某个事件发生。栅栏与闭锁的区别在于所有线程必须同时到达栅栏位置，才能继续执行。闭锁等于等待事件，而栅栏用于等待其他线程。栅栏可以用于实现一些协议，例如几个家庭成员决定在某个地方集合:"所有人6:00到达目的地，然后讨论下一步的事情"。

3.1  CyclicBarrier栅栏(循环屏障)

　　CyclicBarrier可以使一定数量的参与方反复地在栅栏位置汇集，它在并行迭代算法中非常有用:这种算法通常将一个问题划分成一系列相互独立的子问题。当线程到达栅栏位置时将调用await方法，这个方法将阻塞到所有线程到达栅栏位置。如果所有线程都到达栅栏，那么栅栏将打开所有线程被释放，而栅栏将被重置以便下次使用。如果对await的调用超时，或者await阻塞的线程被中断，那么栅栏就被认为是打破了，所有阻塞的await调用都将终止并抛出BrokenBarrierException。如果成功的通过栅栏，那么await将为每个线程返回一个唯一的到达索引号，我们可以用这些索引号"选举"产生一个领导线程，并在下一次迭代中由该领导线程执行一些特殊的工作。CyclicBarrier还可以使你将一个栅栏操作传递给构造函数，这是一个Runnable，当成功的通过栅栏时会(在一个子线程)执行它，但在阻塞过程被释放之前是不能执行的。

　　CyclicBarrier的构造方法可以传入参与的数量(也就是被栅栏拦截的线程的数量)，也可以传入一个Runnable对象。

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

例如:

package cn.qlq.thread.tone;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

/**
 *
 * @author Administrator
 *
 */
public class Demo2 {
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(Demo2.class);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(2);
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            Thread.sleep(2 * 1000);
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    LOGGER.info("threadName -> {}", Thread.currentThread().getName());
                    try {
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    LOGGER.info("threadName -> {}", Thread.currentThread().getName());
                }
            }).start();
        }
    }
}

结果:

18:08:00 [cn.qlq.thread.tone.Demo2]-[INFO] threadName -> Thread-0
18:08:02 [cn.qlq.thread.tone.Demo2]-[INFO] threadName -> Thread-1
18:08:02 [cn.qlq.thread.tone.Demo2]-[INFO] threadName -> Thread-1
18:08:02 [cn.qlq.thread.tone.Demo2]-[INFO] threadName -> Thread-0
18:08:04 [cn.qlq.thread.tone.Demo2]-[INFO] threadName -> Thread-2
18:08:06 [cn.qlq.thread.tone.Demo2]-[INFO] threadName -> Thread-3
18:08:06 [cn.qlq.thread.tone.Demo2]-[INFO] threadName -> Thread-3
18:08:06 [cn.qlq.thread.tone.Demo2]-[INFO] threadName -> Thread-2

　　00的时候0线程到达栅栏进入阻塞，02的时候1线程到达栅栏，由于栅栏的参与者是2所以此时相当于所有线程到达栅栏，栅栏放开，然后栅栏被重置。

　　04的时候2线程到达栅栏进入阻塞，06的时候3线程到达栅栏，由于栅栏的参与者是2所以此时相当于所有参与者线程到达栅栏，然后栅栏放开。

我们将栅栏的参与者改为5查看结果:

final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);

结果:4个线程会阻塞到await方法处，而且JVM不会关闭，因为栅栏的参与者不够5个所以被一直阻塞。

3.2  Exchanger

　　Exchanger相当于一个两方(Two-party)栅栏，各方在栅栏位置上交换数据。当两方执行不对称的操作时，Exchanger非常有用。例如:一个线程向缓冲区写东西，另一个线程从缓冲区读数据。Exchanger相当于参与者只有两个的CyclicBarrier。

　　两个线程会阻塞在exchanger.exchange方法上，泛型可以指定其交换的数据类型。

例如:两个线程交换自己的线程名称

package cn.qlq.thread.tone;

import java.util.concurrent.Exchanger;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

/**
 *
 * @author Administrator
 *
 */
public class Demo3 {
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(Demo3.class);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<String>();// 泛型指定交换的数据
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            Thread.sleep(2 * 1000);
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    LOGGER.info("threadName -> {}", Thread.currentThread().getName());
                    try {
                        String exchange = exchanger.exchange(Thread.currentThread().getName());
                        LOGGER.error("threadName -> {},exchange->{}", Thread.currentThread().getName(), exchange);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    LOGGER.info("threadName -> {}", Thread.currentThread().getName());
                }
            }).start();
        }
    }
}

结果:

18:28:33 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[INFO] threadName -> Thread-0
18:28:35 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[INFO] threadName -> Thread-1
18:28:35 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[ERROR] threadName -> Thread-1,exchange->Thread-0
18:28:35 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[ERROR] threadName -> Thread-0,exchange->Thread-1
18:28:35 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[INFO] threadName -> Thread-1
18:28:35 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[INFO] threadName -> Thread-0
18:28:37 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[INFO] threadName -> Thread-2
18:28:39 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[INFO] threadName -> Thread-3
18:28:39 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[ERROR] threadName -> Thread-3,exchange->Thread-2
18:28:39 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[ERROR] threadName -> Thread-2,exchange->Thread-3
18:28:39 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[INFO] threadName -> Thread-3
18:28:39 [cn.qlq.thread.tone.Demo3]-[INFO] threadName -> Thread-2