Java并发编程学习系列三：辅助类与阻塞队列

辅助类

CountDownLatch

减法计数器，位于 java.util.concurrent 包下，我们看一下关于它的定义。

主要方法有：

首先我们看一个简单的案例：

public class CountDownLatchDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(6);

        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            new Thread(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"get out");
                countDownLatch.countDown();//计数器减1
            },String.valueOf(i)).start();

        }
        //计算器归零，await被唤醒
        countDownLatch.await();//等待计数器归零，才向下继续执行
        System.out.println("end");
    }
}
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执行结果为：

0get out
1get out
2get out
3get out
5get out
4get out
end
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来个复杂点的，比如说有这样一个场景：一个大巴司机来接送一群工人去工作，只有当司机到了，工人们才可以出发准备去工作；同样的，只有等工人们都完成工作之后，司机才能接他们回去。转换为代码设计：

使用两倒计时锁：

• 第一个是一个开始信号，防止任何工人进入，直到司机准备好才能进入；
• 第二个是一个完成信号，允许司机等待，直到所有的工人已经完成。

public class DriverTest {

    static final int N = 10;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);

        for (int i = 0; i < N; ++i){
            new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal),"工人"+(i+1)+"号").start();
        }

        doSomethingElse1();            // don't let run yet
        startSignal.countDown();      // let all threads proceed
        doneSignal.await();           // wait for all to finish
        doSomethingElse2();
    }

    public static void doSomethingElse1() throws InterruptedException {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("司机来送工人去工作");
    }

    public static void doSomethingElse2() throws InterruptedException {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.println("司机来接工人回去");
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private final CountDownLatch startSignal;
    private final CountDownLatch doneSignal;
    Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {
        this.startSignal = startSignal;
        this.doneSignal = doneSignal;
    }
    public void run() {
        try {
            startSignal.await();
            doWork();
            doneSignal.countDown();
        } catch (InterruptedException ex) {} // return;
    }

    void doWork() throws InterruptedException {
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"开始工作......");
    }
}
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执行结果为：

司机来送工人去工作
工人4号开始工作......
工人6号开始工作......
工人8号开始工作......
工人3号开始工作......
工人7号开始工作......
工人9号开始工作......
工人2号开始工作......
工人1号开始工作......
工人10号开始工作......
工人5号开始工作......
司机来接工人回去
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CyclicBarrier

加法计数器，与 CountDownLatch 作用相反。

主要方法有：

public class CyclicBarrierDemo {

    public static void main(String[] args) {

        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(7,()->{
            System.out.println("召唤神龙");
        });

        for (int i = 0; i < 7; i++) {
            final int temp = i+1;
            new Thread(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"收集"+temp+"个龙珠");
                try {
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();

        }
    }
}
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Semaphore

计数器信号量。

以下是个抢车位的案例，假设有6个人去抢3个车位，谁先抢到谁占用，直到离开下一个人再去抢用。

public class SemaphoreDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            new Thread(()->{
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到了车位！");
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"离开了车位！");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    semaphore.release();
                }
            }).start();

        }
    }
}
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semaphore.acquire() 方法表示从该信号量获取许可证，假设已经满了，则等待，直到有许可证被释放。

semaphore.release() 方法表示释放许可证，将其返回到信号量。同时唤醒那些还在等待的线程。

作用：多个共享资源互斥的使用，并发限流，控制最大线程数。

阻塞队列

BlockingQueue

概念

以下是官方文档对于阻塞队列的介绍：

我们来看一下 BlockingQueue 的接口图：

• ArrayBlockingQueue： 由 数 组 结 构 组 成 的 有 界 阻 塞 队 列 。
• LinkedBlockingQueue：由链表结构组成的有界（默认值为：integer.MAX_VALUE）阻塞队列。
• PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列
• DelayQueue：使用优先级队列实现的延迟无界阻塞队列。
• SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，也即单个元素的队列。
• LinkedTransferQueue：由链表组成的无界阻塞队列。
• LinkedBlockingDeque：由链表组成的双向阻塞队列。

阻塞队列是一个队列，在数据结构中起的作用如下图：

当队列是空的，从队列中获取元素的操作将会被阻塞。直到其他线程往空的队列插入新的元素。

当队列是满的，从队列中添加元素的操作将会被阻塞。直到其他线程从队列中移除一个或多个元素或者完全清空，使队列变得空闲起来并后续新增。

作用

在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤起。

为什么需要 BlockingQueue？

好处是我们不需要关心什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切BlockingQueue 都给你一手包办了。

在 concurrent 包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须自己去控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。

核心方法

常用 API

对上述内容的详细解释如下：

我们对上述内容进行代码展示，首先是 抛出异常 情况下的插入和移除方法使用：

public class BlockingQueueTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ArrayBlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);

        //java.lang.IllegalStateException: Queue full
        System.out.println(blockingQueue.add("A"));
        System.out.println(blockingQueue.add("B"));
        System.out.println(blockingQueue.add("C"));
//        System.out.println(blockingQueue.add("D")); //此时队列已满，报错 java.lang.IllegalStateException: Queue full

        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());
//        System.out.println(blockingQueue.remove()); //队列已空，报错java.util.NoSuchElementException
    }
}
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返回特殊值

public class BlockingQueueTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ArrayBlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);

        System.out.println(blockingQueue.offer("A"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("B"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("C"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("D"));//队列已满，插入失败，返回false

        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());//队列已空，返回null
    }
}
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一直阻塞

public class BlockingQueueTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ArrayBlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);

        blockingQueue.put("A");
        blockingQueue.put("B");
        blockingQueue.put("C");
//        blockingQueue.put("D"); //队列已满，会一直阻塞下去

        System.out.println(blockingQueue.take());
        System.out.println(blockingQueue.take());
        System.out.println(blockingQueue.take());//返回正常值
//        System.out.println(blockingQueue.take());//队列已空，会一直阻塞
    }
}
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超时等待

public class BlockingQueueTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ArrayBlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);

        blockingQueue.offer("A");
        blockingQueue.offer("B");
        blockingQueue.offer("C");
//        blockingQueue.offer("D",2, TimeUnit.SECONDS);//队列已满，则等待2s后结束

        blockingQueue.poll();
        blockingQueue.poll();
        blockingQueue.poll();
//        blockingQueue.poll(3,TimeUnit.SECONDS); //队列已空，等待3s后结束
    }
}
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SynchronousQueue

同步队列 SynchronousQueue 没有容量。

与其他的 BlockingQueue 不同，SynchronousQueue 是一个不存储元素的 BlockingQueue 。每一个 put 操作必须要等待一个 take 操作，否则不能继续添加元素，反之亦然。

public class SynchronousQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new SynchronousQueue<>();//同步队列

        new Thread(()->{
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"put 1");
                blockingQueue.put("1");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"put 2");
                blockingQueue.put("2");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"put 3");
                blockingQueue.put("3");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"T1").start();

        new Thread(()->{
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"get data:"+blockingQueue.take());
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"get data:"+blockingQueue.take());
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"get data:"+blockingQueue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"T2").start();
    }

}
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执行结果为：

T1put 1
T2get data:1
T1put 2
T2get data:2
T1put 3
T2get data:3
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参考文献

BlockingQueue（阻塞队列）详解

Java阻塞队列详解

Java并发编程：Callable、Future和FutureTask