java.util.concurrent包下的几个常用类

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发布时间：2019-05-25

本文共 14001 字，大约阅读时间需要 46 分钟。

本文的参考地址：

1.Callable<V>

Callable<V>与Runnable类似，理解Callable<V>可以从比较其与Runnable的区别开始：

1）从使用上：实现的Callable<V>的类需要实现call()方法，此方法有返回对象V；而Runnable的子类需要实现run()方法，但没有返回值；

2）如果直接调用Callable<V>的子类的call()方法，代码是同步顺序执行的；而Runnable的子类是线程，是代码异步执行。

3）将Callable子类submit()给线程池去运行，那么在时间上几个Callable的子类的执行是异步的。

即：如果一个Callable执行需要5s，那么直接调用Callable.call()，执行3次需要15s；

而将Callable子类交个线程执行3次，在池可用的情况下，只需要5s。这就是基本的将任务拆分异步执行的做法。

4）callable与future的组合用法：

（什么是Future？Future 表示异步计算的结果。其用于获取线程池执行callable后的结果，这个结果封装为Future类。详细可以参看Future的API，有示例。）

一种就像上面所说，对一个大任务进行分制处理；

另一种就是对一个任务的多种实现方法共同执行，任何一个返回计算结果，则其他的任务就没有执行的必要。选取耗时最少的结果执行。

2.Semaphore

一个计数信号量，主要用于控制多线程对共同资源库访问的限制。

典型的实例：1）公共厕所的蹲位……，10人等待5个蹲位的，满员后就只能出一个进一个。

2）地下车位，要有空余才能放行

3）共享文件IO数等

与线程池的区别：线程池是控制线程的数量，信号量是控制共享资源的并发访问量。

实例：Semaphore avialable = new Semaphore(int x,boolean y);

x:可用资源数；y：公平竞争或非公平竞争（公平竞争会导致排队，等待最久的线程先获取资源）

用法：在获取工作资源前，用Semaphore.acquire()获取资源，如果资源不可用则阻塞，直到获取资源；操作完后，用Semaphore.release()归还资源

代码示例：(具体管理资源池的示例，可以参考API的示例)

[java]
 public class SemaphoreTest {  
     private static final int NUMBER = 5;    //限制资源访问数  
     private static final Semaphore avialable = new Semaphore(NUMBER,true);  
     public static void main(String[] args) {  
         ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();  
         Runnable r = new Runnable(){  
             public void run(){  
                 try {  
                     avialable.acquire();    //此方法阻塞  
                     Thread.sleep(10*1000);  
                     System.out.println(getNow()+"--"+Thread.currentThread().getName()+"--执行完毕");  
                     avialable.release();  
                 } catch (InterruptedException e) {  
                     e.printStackTrace();  
                 }  
             }  
         };  
         System.out.println(avialable.availablePermits());  
         for(int i=0;i<10;i++){  
             pool.execute(r);  
         }  
         System.out.println(avialable.availablePermits());  
         pool.shutdown();  
     }  
       
     public static String getNow(){  
         SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("mm:ss");  
         return sdf.format(new Date());  
     }  
 }  

3.ReentrantLock与Condition

1.ReentrantLock：可重入互斥锁。使用上与synchronized关键字对比理解：

1.1）synchronized示例：

[java]
 synchronized(object){  
         //do process to object  
     }  

1.2）ReentrantLock示例：（api）

[java]
 private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
    public void m() {   
      lock.lock();  // block until condition holds  
      try {  
        // ... method body  
      } finally {  
        lock.unlock()  
      }  
    }  

由1.1）和1.2）的示例很好理解，ReetantLock也就是一个锁，线程执行某段代码时，需要争用此类实例的锁，用完后要显示的释放此锁。

至于具体区别，后面在说……

2.Condition：此类是同步的条件对象，每个Condition实例绑定到一个ReetrantLock中，以便争用同一个锁的多线程之间可以通过Condition的状态来获取通知。

注意：使用Condition前，首先要获得ReentantLock，当条件不满足线程1等待时，ReentrantLock会被释放，以能让其他线程争用，其他线程获得reentrantLock，然后满足条件，唤醒线程1继续执行。

这与wait()方法是一样的，调用wait()的代码块要被包含在synchronized块中，而当线程r1调用了objectA.wait()方法后，同步对象的锁会释放，以能让其他线程争用；其他线程获取同步对象锁，完成任务，调用objectA.notify()，让r1继续执行。代码示例如下。

代码示例1（调用

condition.await();会释放lock锁

）：

[java]
 public class ConditionTest {  
     private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);  
     //从锁中创建一个绑定条件  
     private static final Condition condition = lock.newCondition();  
       
     private static int count = 1;  
   
     public static void main(String[] args) {  
           
         Runnable r1 = new Runnable(){  
             public void run(){  
                 lock.lock();  
                 try{  
                     while(count<=5){  
                         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--"+count++);  
                         Thread.sleep(1000);  
                     }  
                     condition.signal();     //线程r1释放条件信号，以唤醒r2中处于await的代码继续执行。  
                 } catch (InterruptedException e) {  
                     e.printStackTrace();  
                 }finally{  
                     lock.unlock();  
                 }  
             }  
         };  
           
         Runnable r2 = new Runnable(){  
             public void run(){  
                 lock.lock();  
                 try{  
                     if(count<=5){  
                         System.out.println("----$$$---");  
                         condition.await();  //但调用await()后，lock锁会被释放，让线程r1能获取到，与Object.wait()方法一样  
                         System.out.println("----------");  
                     }  
                     while(count<=10){  
                         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--"+count++);  
                         Thread.sleep(1000);  
                     }  
                 } catch (InterruptedException e) {  
                     e.printStackTrace();  
                 }finally{  
                     lock.unlock();  
                 }  
             }  
         };  
   
         new Thread(r2).start(); //让r2先执行，先获得lock锁，但条件不满足，让r2等待await。  
         try {  
             Thread.sleep(100);  //这里休眠主要是用于测试r2.await()会释放lock锁，被r1获取  
         } catch (InterruptedException e) {  
             e.printStackTrace();  
         }  
         new Thread(r1).start();  
     }  
 }  

代码示例2（此例子来自于Condition的API）：

[java]
 public class ConditionMain {  
   
     public static void main(String[] args) {  
         final BoundleBuffer buf = new ConditionMain().new BoundleBuffer();  
         new Thread(new Runnable(){  
             public void run() {  
                 for(int i=0;i<1000;i++){  
                     try {  
                         buf.put(i);  
                         System.out.println("入值："+i);  
                         Thread.sleep(200);  
                     } catch (InterruptedException e) {  
                         e.printStackTrace();  
                     }  
                 }  
             }  
         }).start();  
         new Thread(new Runnable(){  
             public void run() {  
                 for(int i=0;i<1000;i++){  
                     try {  
                         int x = buf.take();  
                         System.out.println("出值："+x);  
                         Thread.sleep(2000);  
                     } catch (InterruptedException e) {  
                         e.printStackTrace();  
                     }  
                 }  
             }  
         }).start();  
     }  
   
     public class BoundleBuffer {  
         final Lock lock = new ReentrantLock();  
         final Condition notFull = lock.newCondition();  
         final Condition notEmpty = lock.newCondition();  
   
         final Integer[] items = new Integer[10];  
         int putptr, takeptr, count;  
   
         public void put(int x) throws InterruptedException {  
             System .out.println("put wait lock");  
             lock.lock();  
             System .out.println("put get lock");  
             try {  
                 while (count == items.length){  
                     System.out.println("buffer full, please wait");  
                     notFull.await();  
                 }  
                 items[putptr] = x;  
                 if (++putptr == items.length)  
                     putptr = 0;  
                 ++count;  
                 notEmpty.signal();  
             } finally {  
                 lock.unlock();  
             }  
         }  
         public int take() throws InterruptedException {  
             System .out.println("take wait lock");  
             lock.lock();  
             System .out.println("take get lock");  
             try {  
                 while (count == 0){  
                     System.out.println("no elements, please wait");  
                     notEmpty.await();  
                 }  
                 int x = items[takeptr];  
                 if (++takeptr == items.length)  
                     takeptr = 0;  
                 --count;  
                 notFull.signal();  
                 return x;  
             } finally {  
                 lock.unlock();  
             }  
         }  
     }  
 }  

4.BlockingQueue

简单介绍。这是一个阻塞的队列超类接口，concurrent包下很多架构都基于这个队列。BlockingQueue是一个接口，此接口的实现类有：ArrayBlockingQueue, DelayQueue, LinkedBlockingDeque, LinkedBlockingQueue, PriorityBlockingQueue, SynchronousQueue 。每个类的具体使用可以参考API。

这些实现类都遵从共同的接口定义（一目了然，具体参考api）：

[html]
     抛出异常    特殊值         阻塞      超时   
 插入  add(e)      offer(e)    put(e)      offer(e, time, unit)   
 移除  remove()    poll()      take()      poll(time, unit)   
 检查  element()   peek()      不可用         不可用   

5.CompletionService

1.CompletionService是一个接口，用来保存一组异步求解的任务结果集。api的解释是：将新生产的异步任务与已完成的任务结果集分离开来。

2.CompletionService依赖于一个特定的Executor来执行任务。实际就是此接口需要多线程处理一个共同的任务，这些多线程由一个指定的线程池来管理。CompletionService的实现类ExecutorCompletionService。

3.api的官方代码示例参考ExecutorCompletionService类的api（一个通用分制概念的函数）。

4.使用示例：如有时我们需要一次插入大批量数据，那么可能我们需要将1w条数据分开插，异步执行。如果某个异步任务失败那么我们还要重插，那可以用CompletionService来实现。下面是简单代码：

（代码中1w条数据分成10份，每次插1000条，如果成功则返回true，如果失败则返回false。那么忽略数据库的东西，我们假设插1w条数据需10s，插1k条数据需1s，那么下面的代码分制后，插入10条数据需要2s。为什么是2s呢？因为我们开的线程池是8线程，10个异步任务就有两个需要等待池资源，所以是2s，如果将下面的8改为10，则只需要1s。）

[java]
 public class CompletionServiceTest {  
   
     public static void main(String[] args) {  
         ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(8);     //需要2s，如果将8改成10，则只需要1s  
         CompletionService<Boolean> cs = new ExecutorCompletionService<Boolean>(pool);  
         Callable<Boolean> task = new Callable<Boolean>(){  
             public Boolean call(){  
                 try {  
                     Thread.sleep(1000);  
                     System.out.println("插入1000条数据完成");  
                 } catch (InterruptedException e) {  
                     e.printStackTrace();  
                 }  
                 return true;  
             };  
         };  
         System.out.println(getNow()+"--开始插入数据");  
         for(int i=0;i<10;i++){  
             cs.submit(task);              
         }  
         for(int i=0;i<10;i++){  
             try {  
                 //ExecutorCompletionService.take()方法是阻塞的，如果当前没有完成的任务则阻塞  
                 System.out.println(cs.take().get());  
                 //实际使用时，take()方法获取的结果可用于处理，如果插入失败，则可以进行重试或记录等操作  
             } catch (InterruptedException|ExecutionException e) {  
                 e.printStackTrace();  
             }  
         }  
         System.out.println(getNow()+"--插入数据完成");  
         pool.shutdown();  
     }  
   
     public static String getNow(){  
         SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("mm:ss");  
         return sdf.format(new Date());  
     }  
 }  

5.CompletionService与Callable<V>+Future的对比：

在上面的Callable中说过，Callable+Future能实现任务的分治，但是有个问题就是：不知道call()什么时候完成，需要人为控制等待。

而jdk通过CompetionService已经将此麻烦简化，通过CompletionService将异步任务完成的与未完成的区分开来（正如api的描述），我们只用去取即可。

CompletionService有什么好处呢？

如上所说：1）将已完成的任务和未完成的任务分开了，无需开发者操心；2）隐藏了Future类，简化了代码的使用。真想点个赞！

6.CountDownLatch

1.CountDownLatch:api解释：一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。个人理解是CountDownLatch让可以让一组线程同时执行，然后在这组线程全部执行完前，可以让另一个线程等待。

就好像跑步比赛，10个选手依次就位，哨声响才同时出发；所有选手都通过终点，才能公布成绩。那么CountDownLatch就可以控制10个选手同时出发，和公布成绩的时间。

CountDownLatch 是一个通用同步工具，它有很多用途。将计数 1 初始化的 CountDownLatch 用作一个简单的开/关锁存器，或入口：在通过调用 countDown() 的线程打开入口前，所有调用 await 的线程都一直在入口处等待。用 N 初始化的 CountDownLatch 可以使一个线程在 N 个线程完成某项操作之前一直等待，或者使其在某项操作完成 N 次之前一直等待。

CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);

CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);

代码示例可参考api的示例。（重要）

2.代码示例：

参考链接中的示例：

个人示例：

[java]
 public class CountDownLatchTest {  
     private static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("mm:ss");  
     public static void main(String[] args) {  
         final CountDownLatch start = new CountDownLatch(1); //用一个信号控制一组线程的开始，初始化为1  
         final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);  //要等待N个线程的结束，初始化为N，这里是10  
         Runnable r = new Runnable(){  
             public void run(){  
                 try {  
                     start.await();  //阻塞，这样start.countDown()到0，所有阻塞在start.await()处的线程一起执行  
                     Thread.sleep((long) (Math.random()*10000));  
                     System.out.println(getNow()+"--"+Thread.currentThread().getName()+"--执行完成");  
                     end.countDown();//非阻塞，每个线程执行完，让end--,这样10个线程执行完end倒数到0，主线程的end.await()就可以继续执行  
                 } catch (InterruptedException e) {  
                     e.printStackTrace();  
                 }  
             }  
         };  
         for(int i=0;i<10;i++){  
             new Thread(r).start();  //虽然开始了10个线程，但所有线程都阻塞在start.await()处  
         }  
         System.out.println(getNow()+"--线程全部启动完毕，休眠3s再让10个线程一起执行");  
         try {  
             Thread.sleep(3*1000);  
         } catch (InterruptedException e) {  
             e.printStackTrace();  
         }  
         System.out.println(getNow()+"--开始");  
         start.countDown();  //start初始值为1，countDown()变成0，触发10个线程一起执行  
         try {  
             end.await();        //阻塞，等10个线程都执行完了才继续往下。  
         } catch (InterruptedException e) {  
             e.printStackTrace();  
         }  
         System.out.println(getNow()+"--10个线程都执行完了，主线程继续往下执行！");  
     }  
     private static String getNow(){  
         return sdf.format(new Date());  
     }  
 }  

7.CyclicBarrier

1.一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点。也就是说，这一组线程的执行分几个节点，每个节点往下执行，都需等待其他线程，这就需要这种等待具有循环性。CyclicBarrier在这样的情况下就很有用。

2.CyclicBarrier与CountDownLacth的区别：

1）CountDownLacth用于一个线程与一组线程之间的相互等待。常用的就是一个主线程与一组分治线程之间的等待：主线程发号令，一组线程同时执行；一组线程依次执行完，再唤醒主线程继续执行；

CyclicBarrier用于一组线程执行时，每个线程执行有多个节点，每个节点的处理需要相互等待。如：对5个文件进行处理，按行将各个文件数字挑出来合并成一行，排序，并输出到另一个文件，那每次处理都需要等待5个线程读入下一行。（api示例可供参考）

2）CountDownLacth的处理机制是：初始化一个值N（相当于一组线程有N个），每个线程调用一次countDown()，那么cdLatch减1，等所有线程都调用过countDown()，那么cdLatch值达到0，那么线程从await()处接着玩下执行。

CyclicBarrier的处理机制是：初始化一个值N（相当于一组线程有N个），每个线程调用一次await()，那么barrier加1，等所有线程都调用过await()，那么barrier值达到初始值N，所有线程接着往下执行，并将barrier值重置为0，再次循环下一个屏障；

3）由2）可以知道，CountDownLatch只可以使用一次，而CyclicBarrier是可以循环使用的。

3.个人用于理解的示例：

[java]
 public class CyclicBarrierTest {  
     private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5,  
             new Runnable(){  
                 public void run(){  //每次线程到达屏障点，此方法都会执行  
                     System.out.println("\n--------barrier action--------\n");  
                 }  
             });  
     public static void main(String[] args) {  
         for(int i=0;i<5;i++){  
             new Thread(new CyclicBarrierTest().new Worker()).start();  
         }  
     }  
     class Worker implements Runnable{  
         public void run(){  
             try {  
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--第一阶段");  
                 Thread.sleep(getRl());  
                 barrier.await();    //每一次await()都会阻塞，等5个线程都执行到这一步（相当于barrier++操作，加到初始化值5），才继续往下执行  
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--第二阶段");  
                 Thread.sleep(getRl());  
                 barrier.await();    //每一次5个线程都到达共同的屏障节点，会执行barrier初始化参数中定义的Runnable.run()  
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--第三阶段");  
                 Thread.sleep(getRl());  
                 barrier.await();  
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--第四阶段");  
                 Thread.sleep(getRl());  
                 barrier.await();  
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--第五阶段");  
                 Thread.sleep(getRl());  
                 barrier.await();  
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--结束");  
             } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {  
                 e.printStackTrace();  
             }  
         }  
     }  
     public static long getRl(){  
         return Math.round(10000);  
     }  
 }  

4.参考api的示例。

api的示例自己看，就是加深印象。

但是api中有一点描述：如果屏障操作在执行时不依赖于正挂起的线程，则线程组中的任何线程在获得释放时都能执行该操作。为方便此操作，每次调用 await() 都将返回能到达屏障处的线程的索引。然后，您可以选择哪个线程应该执行屏障操作，例如：

[java]
 if (barrier.await() == 0) {  
 <span style="white-space:pre">    </span> // log the completion of this iteration  
 }  

就是说，barrier.await()还会返回一个int值。这个返回值到底是什么呢？不是返回的线程的索引，返回的是：N-进入等待线程数，如5个线程，5线程都进入等待，那返回值就是0（具体可以参看源码）。那么barrier.await()==0也可以看做是一个N线程都达到公共屏障的信号，然后在此条件下处理原本需要放在Runnable参数中的逻辑。不用担心多线程会多次执行此逻辑，N个线程只有一个线程barrier.await()==0。

8.Exchanger

1.Exchanger可以在对中对元素进行配对和交换的线程的同步点。api上不是太好理解，个人理解说白了就是两个线程交换各自使用的指定内存数据。

2.场景：

api中有示例，两个线程A、B，各自有一个数据类型相同的变量a、b，A线程往a中填数据（生产），B线程从b中取数据（消费）。具体如何让a、b在内存发生关联，就由Exchanger完成。

api中说：Exchanger 可能被视为 SynchronousQueue 的双向形式。怎么理解呢？传统的SynchronousQueue存取需要同步，就是A放入需要等待B取出，B取出需要等待A放入，在时间上要同步进行。而Exchanger在B取出的时候，A是同步在放入的。即：1）A放入a，a满，然后与B交换内存，那A就可以操作b（b空），而B可以操作a；2）等b被A存满，a被B用完，再交换；3）那A又填充a，B又消费b，依次循环。两个内存在一定程度上是同时被操作的，在时间上不需要同步。

再理解就是：如果生产需要5s，消费需要5s。SynchronousQueue一次存取需要10s，而Exchanger只需要5s。4.注意事项：

目前只知道Exchanger只能发生在两个线程之间。但实际上Exchanger的源码是有多个插槽（Slot），交换是通过线程ID的hash值来定位的。目前还没搞懂？待后续。

如果一组线程aGroup操作a内存，一组线程bGroup操作b内存，如何交换？能不能交换？

3.代码示例：

[java]
 public class ExchangerTest {  
     private SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("mm:ss");  
     private static Exchanger<Queue<Integer>> changer = new Exchanger<Queue<Integer>>();  
   
     public static void main(String[] args) {  
         new Thread(new ExchangerTest().new ProducerLoop()).start();  
         new Thread(new ExchangerTest().new ConsumerLoop()).start();  
     }  
     class ProducerLoop implements Runnable{  
         private Queue<Integer> pBuffer = new LinkedBlockingQueue<Integer>();  
         private final int maxnum = 10;  
   
         @Override  
         public void run() {  
             try{  
                 for(;;){  
                     Thread.sleep(500);  
                     pBuffer.offer((int) Math.round(Math.random()*100));  
                     if(pBuffer.size() == maxnum){  
                         System.out.println(getNow()+"--producer交换前");  
                         pBuffer = changer.exchange(pBuffer);  
                         System.out.println(getNow()+"--producer交换后");  
                     }  
                 }  
             }catch(Exception e){  
                 e.printStackTrace();  
             }  
         }  
     }     
     class ConsumerLoop implements Runnable{  
         private Queue<Integer> cBuffer = new LinkedBlockingQueue<Integer>();  
           
         @Override  
         public void run() {  
             try{  
                 for(;;){  
                     if(cBuffer.size() == 0){  
                         System.out.println("\n"+getNow()+"--consumer交换前");  
                         cBuffer = changer.exchange(cBuffer);  
                         System.out.println(getNow()+"--consumer交换后");  
                     }  
                     System.out.print(cBuffer.poll()+" ");  
                     Thread.sleep(500);  
                 }  
             }catch(Exception e){  
                 e.printStackTrace();  
             }  
         }  
     }     
     private String getNow(){  
         return sdf.format(new Date());  
     }  
 }  