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并发队列

Java技术 winrains 来源:周鑫磊 8个月前 (03-31) 79次浏览

1 并发包

1.1 (计数器)CountDownLatch

CountDownLatch 类位于java.util.concurrent包下,利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A,它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行,此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。CountDownLatch是通过一个计数器来实现的,计数器的初始值为线程的数量。每当一个线程完成了自己的任务后,计数器的值就会减1。当计数器值到达0时,它表示所有的线程已经完成了任务,然后在闭锁上等待的线程就可以恢复执行任务。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
  new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",子线程开始执行...");
      countDownLatch.countDown();
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",子线程结束执行...");
    }
  }).start();
  
  new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",子线程开始执行...");
      countDownLatch.countDown();//计数器值每次减去1
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",子线程结束执行...");
    }
  }).start();
  countDownLatch.await();// 減去为0,恢复任务继续执行
    System.out.println("两个子线程执行完毕....");
    System.out.println("主线程继续执行.....");
    for (int i = 0; i <10; i++) {
    System.out.println("main,i:"+i);
  }
}

1.2 同步屏障(CycliBarrier)

CyclicBarrier初始化时规定一个数目,然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。当线程数达到了这个数目时,所有进入等待状态的线程被唤醒并继续
CyclicBarrier就象它名字的意思一样,可看成是个障碍, 所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍
CyclicBarrier初始时还可带一个Runnable的参数, 此Runnable任务在CyclicBarrier的数目达到后,所有其它线程被唤醒前被执行。

class Writer extends Thread {
  private CyclicBarrier cyclicBarrier;
  public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
     this.cyclicBarrier=cyclicBarrier;
  }
  @Override
  public void run() {
    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + ",正在写入数据");
    try {
      Thread.sleep(3000);
    } catch (Exception e) {
      // TODO: handle exception
    }
    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + ",写入数据成功.....");
    
    try {
      cyclicBarrier.await();
    } catch (Exception e) {
    }
    System.out.println("所有线程执行完毕..........");
  }
}
public class Test001 {
  public static void main(String[] args) {
    CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(5);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      Writer writer = new Writer(cyclicBarrier);
      writer.start();
    }
  }
}

CycliBarrier应用场景
CycliBarrier适用于多线程计算数据,最后合并计算结果的场景
CycliBarrier和CountDownLatch的区别

  • CountDownLatch只能使用一次,而CycliBarrier可以使用多次,通过reset()重置,所以CycliBarrier可以处理更复杂的场景
  • CycliBarrier提供更多的方法,比如getNumberWaiting方法可以获取CycliBarrier阻塞的线程数量,isBroken()方法可以用来了解阻塞的线程是否被中断。

1.3 (计数信号量)Semaphore

Semaphore是一种基于计数的信号量。可以比作为控制流量的红绿灯,限制线程数量,它可以设定一个阈值,基于此,多个线程竞争获取许可信号,做自己的申请后归还,超过阈值后,线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore可以用来构建一些对象池,资源池之类的,比如数据库连接池,我们也可以创建计数为1的Semaphore,将其作为一种类似互斥锁的机制,这也叫二元信号量,表示两种互斥状态。它的用法如下:

  • availablePermits函数用来获取当前可用的资源数量
  • wc.acquire(); //申请资源
  • wc.release();// 释放资源
// 创建一个计数阈值为5的信号量对象  
// 只能5个线程同时访问  
Semaphore semp = new Semaphore(5);  
  
try {  
    // 申请许可  
    semp.acquire();  
    try {  
        // 业务逻辑  
    } catch (Exception e) {  
    } finally {  
        // 释放许可  
        semp.release();  
    }  
} catch (InterruptedException e) {  
  
} 

案例
需求: 一个厕所只有3个坑位,但是有10个人来上厕所,那怎么办?假设10的人的编号分别为1-10,并且1号先到厕所,10号最后到厕所。那么1-3号来的时候必然有可用坑位,顺利如厕,4号来的时候需要看看前面3人是否有人出来了,如果有人出来,进去,否则等待。同样的道理,4-10号也需要等待正在上厕所的人出来后才能进去,并且谁先进去这得看等待的人是否有素质,是否能遵守先来先上的规则。

class ThradDemo001 extends Thread {
  private String name;
  private Semaphore wc;
  public ThradDemo001(String name, Semaphore wc) {
    this.name = name;
    this.wc = wc;
  }
  @Override
  public void run() {
    // 剩下的资源
    int availablePermits = wc.availablePermits();
    if (availablePermits > 0) {
      System.out.println(name + "天助我也,终于有茅坑了.....");
    } else {
      System.out.println(name + "怎么没有茅坑了...");
    }
    try {
      // 申请资源
      wc.acquire();
    } catch (InterruptedException e) {
    }
    System.out.println(name + "终于上厕所啦.爽啊" + ",剩下厕所:" + wc.availablePermits());
    try {
      Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
    } catch (Exception e) {
      // TODO: handle exception
    }
    System.out.println(name + "厕所上完啦!");
    // 释放资源
    wc.release();
  }
}
public class TestSemaphore {
  public static void main(String[] args) {
    Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
      ThradDemo001 thradDemo001 = new ThradDemo001("第" + i + "个人", semaphore);
      thradDemo001.start();
    }
  }
} 

2 并发队列

在并发队列上JDK提供了两套实现,一个是以ConcurrentLinkedQueue为代表的高性能队列非阻塞,一个是以BlockingQueue接口为代表的阻塞队列,无论哪种都继承自Queue。

image1.png

2.1 阻塞队列与非阻塞队列

阻塞队列与普通队列的区别在于,当队列是空的时,从队列中获取元素的操作将会被阻塞,或者当队列是满时,往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞,直到其他的线程往空的队列插入新的元素。 同样,试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞,直到其他的线程使队列重新变得空闲起来,如从队列中移除一个或者多个元素,或者完全清空队列.

ArrayDeque, (数组双端队列) 
PriorityQueue, (优先级队列) 
ConcurrentLinkedQueue, (基于链表的并发队列) 
DelayQueue, (延期阻塞队列)(阻塞队列实现了BlockingQueue接口) 
ArrayBlockingQueue, (基于数组的并发阻塞队列) 
LinkedBlockingQueue, (基于链表的FIFO阻塞队列) 
LinkedBlockingDeque, (基于链表的FIFO双端阻塞队列) 
PriorityBlockingQueue, (带优先级的无界阻塞队列) 
SynchronousQueue (并发同步阻塞队列)

2.2 ConcurrentLinkedDeque

ConcurrentLinkedQueue : 是一个适用于高并发场景下的队列,通过无锁的方式,实现了高并发状态下的高性能,通常ConcurrentLinkedQueue性能好于BlockingQueue.它是一个基于链接节点的无界线程安全队列。该队列的元素遵循先进先出的原则。头是最先加入的,尾是最近加入的,该队列不允许null元素。

ConcurrentLinkedQueue重要方法
add 和offer() 都是加入元素的方法(在ConcurrentLinkedQueue中这俩个方法没有任何区别)
poll() 和peek() 都是取头元素节点,区别在于前者会删除元素,后者不会

ConcurrentLinkedDeque q = new ConcurrentLinkedDeque();
q.offer("小明");
q.offer("码云");
q.offer("小谢");
q.offer("张杰");
q.offer("艾姐");
//从头获取元素,删除该元素
System.out.println(q.poll());
//从头获取元素,不刪除该元素
System.out.println(q.peek());
//获取总长度
System.out.println(q.size());

2.3 BlockingQueue

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是:

  • 在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。
  • 当队列满时,存储元素的线程会等待队列可用。
  • 阻塞队列最大好处就是能防止队列容器溢出,防止丢失数据

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是往队列里添加元素的线程,消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器,而消费者也只从容器里拿元素。
BlockingQueue即阻塞队列,从阻塞这个词可以看出,在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种:

  • 当队列满了的时候进行入队列操作
  • 当队列空了的时候进行出队列操作

因此,当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时,它将会被阻塞,除非有另一个线程做了出队列操作;同样,当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时,它将会被阻塞,除非有另一个线程进行了入队列操作。
在Java中,BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供),由上面介绍的阻塞队列的特性可知,阻塞队列是线程安全的。
在新增的Concurrent包中,BlockingQueue很好的解决了多线程中,如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类,为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。本文详细介绍了BlockingQueue家庭中的所有成员,包括他们各自的功能以及常见使用场景。
认识BlockingQueue
阻塞队列,顾名思义,首先它是一个队列,通过一个共享的队列,可以使得数据由队列的一端输入,从另外一端输出;
常用的队列主要有以下两种:(当然通过不同的实现方式,还可以延伸出很多不同类型的队列,DelayQueue就是其中的一种)

  • 先进先出(FIFO):先插入的队列的元素也最先出队列,类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。
  • 后进先出(LIFO):后插入队列的元素最先出队列,这种队列优先处理最近发生的事件。

多线程环境中,通过队列可以很容易实现数据共享,比如经典的“生产者”和“消费者”模型中,通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我们有若干生产者线程,另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程,利用队列的方式来传递数据,就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内,万一发生数据处理速度不匹配的情况呢?理想情况下,如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度,并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候,那么生产者必须暂停等待一下(阻塞生产者线程),以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕,反之亦然。然而,在concurrent包发布以前,在多线程环境下,我们每个程序员都必须去自己控制这些细节,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。好在此时,强大的concurrent包横空出世了,而他也给我们带来了强大的BlockingQueue。(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醒

2.4 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列,它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的,我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小,容量大小一旦指定就不可改变。

ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据,最新插入的对象是尾部,最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使用ArrayBlockingQueue的例子:

<String> arrays = new ArrayBlockingQueue<String>(3);
arrays.add("李四");
arrays.add("张军");
arrays.add("张军");
// 添加阻塞队列
arrays.offer("张三", 1, TimeUnit.SECONDS);

2.5 LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的,如果我们初始化时指定一个大小,它就是有边界的,如果不指定,它就是无边界的。说是无边界,其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量。
** 它的内部实现是一个链表
,和ArrayBlockingQueue一样,LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据,最新插入的对象是尾部,最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使LinkedBlockingQueue的例子:

LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue = new LinkedBlockingQueue(3);
linkedBlockingQueue.add("张三");
linkedBlockingQueue.add("李四");
linkedBlockingQueue.add("李四");
System.out.println(linkedBlockingQueue.size());

2.6 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列,它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意,PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口,队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。
另外,我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator,但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

2.7 SynchronousQueue

SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞,除非这个元素被另一个线程消费。
使用BlockingQueue模拟生产者与消费者

class ProducerThread implements Runnable {
  private BlockingQueue<String> blockingQueue;
  private AtomicInteger count = new AtomicInteger();
  private volatile boolean FLAG = true;
  public ProducerThread(BlockingQueue<String> blockingQueue) {
    this.blockingQueue = blockingQueue;
  }
  @Override
  public void run() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产者开始启动....");
    while (FLAG) {
      String data = count.incrementAndGet() + "";
      try {
        boolean offer = blockingQueue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS);
        if (offer) {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",生产队列" + data + "成功..");
        } else {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",生产队列" + data + "失败..");
        }
        Thread.sleep(1000);
      } catch (Exception e) {
      }
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",生产者线程停止...");
  }
  public void stop() {
    this.FLAG = false;
  }
}
class ConsumerThread implements Runnable {
  private volatile boolean FLAG = true;
  private BlockingQueue<String> blockingQueue;
  public ConsumerThread(BlockingQueue<String> blockingQueue) {
    this.blockingQueue = blockingQueue;
  }
  @Override
  public void run() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费者开始启动....");
    while (FLAG) {
      try {
        String data = blockingQueue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);
        if (data == null || data == "") {
          FLAG = false;
          System.out.println("消费者超过2秒时间未获取到消息.");
          return;
        }
        System.out.println("消费者获取到队列信息成功,data:" + data);
      } catch (Exception e) {
        // TODO: handle exception
      }
    }
  }
}
public class Test0008 {
  public static void main(String[] args) {
    BlockingQueue<String> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<>(3);
    ProducerThread producerThread = new ProducerThread(blockingQueue);
    ConsumerThread consumerThread = new ConsumerThread(blockingQueue);
    Thread t1 = new Thread(producerThread);
    Thread t2 = new Thread(consumerThread);
    t1.start();
    t2.start();
    //10秒后 停止线程..
    try {
      Thread.sleep(10*1000);
      producerThread.stop();
    } catch (Exception e) {
      // TODO: handle exception
    }
  }
}

作者:周鑫磊

来源:https://www.sparksys.top/archives/4


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