【JavaEE】JUC 常见的类 -- 多线程篇(8)

JUC 常见的类

• [1. Callable 接口](#1. Callable 接口)
• [2. ReentrantLock](#2. ReentrantLock)
• [3. 原子类](#3. 原子类)
• [4. 线程池](#4. 线程池)
• [5. 信号量 Semaphore](#5. 信号量 Semaphore)
• [6. CountDownLatch](#6. CountDownLatch)

1. Callable 接口

• Callable Interface 也是一种创建线程的方式
  • Runnable 能表示一个任务 (run方法) -- 返回 void
  • Callable 也能表示一个任务(call方法) 返回一个具体的的值, 类型可以通过泛型参数来指定(Object)

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代码示例: 创建线程计算 1 + 2 + 3 + ... + 1000, 不使用 Callable 版本

• 创建一个类 Result , 包含一个 sum 表示最终结果, lock 表示线程同步使用的锁对象.
• main 方法中先创建 Result 实例, 然后创建一个线程 t. 在线程内部计算 1 + 2 + 3 + ... + 1000.
• 主线程同时使用 wait 等待线程 t 计算结束. (注意, 如果执行到 wait 之前, 线程 t 已经计算完了, 就不必等待了).
• 当线程 t 计算完毕后, 通过 notify 唤醒主线程, 主线程再打印结果.

static class Result {
    public int sum = 0;
    public Object lock = new Object();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Result result = new Result();
    Thread t = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            int sum = 0;
            for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
                sum += i;
           }
            synchronized (result.lock) {
                result.sum = sum;
                result.lock.notify();
           }
       }
   };
    t.start();
    synchronized (result.lock) {
        while (result.sum == 0) {
            result.lock.wait();
       }
        System.out.println(result.sum);
   }
}

可以看到, 上述代码需要一个辅助类 Result, 还需要使用一系列的加锁和 wait notify 操作, 代码复杂, 容易出错.

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代码示例: 创建线程计算 1 + 2 + 3 + ... + 1000, 使用 Callable 版本

• 创建一个匿名内部类, 实现 Callable 接口. Callable 带有泛型参数. 泛型参数表示返回值的类型.
• 重写 Callable 的 call 方法, 完成累加的过程. 直接通过返回值返回计算结果.
• 把 callable 实例使用 FutureTask 包装一下.
• 创建线程, 线程的构造方法传入 FutureTask . 此时新线程就会执行 FutureTask 内部的 Callable 的call 方法, 完成计算. 计算结果就放到了 FutureTask 对象中.
• 在主线程中调用 futureTask.get() 能够阻塞等待新线程计算完毕. 并获取到 FutureTask 中的结果.

// 使用 Callable 版本实现 1 累加到 100
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    // 1. 创建实现Callable接口的匿名内部类
    Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            int sum = 0;
            for (int i = 1; i <= 100; i++) {
                sum += i;
            }
            return sum;
        }
    };
    // 2. 创建futureTask类 -- 要来存储callable的返回值
    FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
    Thread t = new Thread(futureTask);
    t.start();
    // 3. 调用futureTask的get方法 -- 该方法是阻塞等待的
    Integer result = futureTask.get();
    System.out.println(result);
}

• 可以看到, 使用 Callable 和 FutureTask 之后, 代码简化了很多, 也不必手动写线程同步代码了.

理解Callable

• Callable 和 Runnable 相对, 都是描述一个 "任务". Callable 描述的是带有返回值的任务, Runnable 描述的是不带返回值的任务.
• Callable 通常需要搭配 FutureTask 来使用. FutureTask 用来保存 Callable 的返回结果. 因为Callable 往往是在另一个线程中执行的, 啥时候执行完并不确定.
• FutureTask 就可以负责这个等待结果出来的工作.

2. ReentrantLock

可重入互斥锁. 和 synchronized 定位类似, 都是用来实现互斥效果, 保证线程安全.

ReentrantLock 的用法:

• lock(): 加锁, 如果获取不到锁就死等.
• trylock(超时时间): 加锁, 如果获取不到锁, 等待一定的时间之后就放弃加锁.
• unlock(): 解锁

ReentrantLock 和 synchronized 的区别:

• synchronized 是一个关键字, 是 JVM 内部实现的(大概率是基于 C++ 实现). ReentrantLock 是标准库的一个类, 在 JVM 外实现的(基于 Java 实现).
• synchronized 使用时不需要手动释放锁. ReentrantLock 使用时需要手动释放. 使用起来更灵活, 但是也容易遗漏 unlock.
• synchronized 在申请锁失败时, 会死等. ReentrantLock 可以通过 trylock 的方式等待一段时间就放弃.
• synchronized 是非公平锁, ReentrantLock 默认是非公平锁. 可以通过构造方法传入一个 true 开启公平锁模式.
• 更强大的唤醒机制. synchronized 是通过 Object 的 wait / notify 实现等待-唤醒. 每次唤醒的是一个随机等待的线程. ReentrantLock 搭配 Condition 类实现等待-唤醒, 可以更精确控制唤醒某个指定的线程.

如何选择使用哪个锁?

• 锁竞争不激烈的时候, 使用 synchronized, 效率更高, 自动释放更方便.
• 锁竞争激烈的时候, 使用 ReentrantLock, 搭配 trylock 更灵活控制加锁的行为, 而不是死等.
• 如果需要使用公平锁, 使用 ReentrantLock.

3. 原子类

使用示例

原子类的应用场景

1. 计数需求
   • 播放量, 点赞量...
   • 同一个视频, 有很多人都在同时的播放/点赞
2. 统计效果
   • 统计出现错误的请求数目 -- 使用原子类, 记录出错的请求数目 -- 另外写一个监控服务器, 获取线上服务器的这些错误技术, 并且以曲线图的方式绘制到页面上 -- 某次发布程序之后, 发现突然这里的错误数大幅度上升, 说明你这个版本代码大概率存在 bug
   • 统计收到请求的总数 (衡量服务器的压力)
   • 统计每个请求的响应事件 -> 平均的响应事件 (衡量服务器的运行效率)
   • 线上服务通过这些统计内容, 进行简单技术 -> 实现监控服务器

4. 线程池

• 之前的文章里已经讲过了, 请跳转: 线程池

5. 信号量 Semaphore

信号量的概念

• 信号量, 用来表示 "可用资源的个数". 本质上就是一个计数器.

Semaphore 使用示例

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Semaphore semaphore = new Semaphore(4);
    int count = 0;
    // acquire方法 -- P操作 -- 计数器减一
    semaphore.acquire();
    System.out.println(count++);
    // release方法 -- V操作 -- 计数器加一
    semaphore.release();
    semaphore.acquire();
    System.out.println(count++);
    semaphore.acquire();
    System.out.println(count++);
    semaphore.acquire();
    System.out.println(count++);
    semaphore.acquire();
    System.out.println(count++);
    semaphore.acquire();
    System.out.println(count++);
    semaphore.acquire();
    System.out.println(count++);
}

运行结果如下;

6. CountDownLatch

• 同时等待 N 个任务执行结束.

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。

应用场景举例

• 下载一个大文件, 将大文件分成几个小的文件, 分别让多个线程来执行相应的下载任务, 当所有线程完成任务的时候, 该大文件也就下载完成了;
• CountDownLatch 就是用来等待所有线程完成任务的
• 和 join不同的是, join表示执行任务的线程退出了; CountDownLatch 只是等线程完成任务, 线程只要告知CountDownLatch 我完成任务即可, 可以不用被销毁

使用举例

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
     // 构造方法中, 指定创建几个任务.
     CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);

     for (int i = 0; i < 10; i++) {
         int id = i + 1;
         Thread t = new Thread(() -> {
             System.out.println("线程" + id + "正在工作");
             try {
                 Thread.sleep(1000);
             } catch (InterruptedException e) {
                 throw new RuntimeException(e);
             }
             System.out.println("线程" + id + "完成工作");

             // 每个任务执行结束这里, 调用一下方法
             // 把 10 个线程想象成短跑比赛的 10 个运动员. countDown 就是运动员撞线了.
             countDownLatch.countDown();

             // 假设线程不退出
             while (true);
         });
         t.start();
     }

     // 主线程如何知道上述所有的任务都完成了呢??
     // 难道要在主线程中调用 10 次 join 嘛?
     // 万一要是任务结束, 但是线程不需要结束, join 不就也不行了嘛?
     // 主线程中可以使用 countDownLatch 负责等待任务结束.
     // a => all 等待所有任务结束. 当调用 countDown 次数 < 初始设置的次数, await 就会阻塞.
     countDownLatch.await();
     System.out.println("多个线程的所有任务都执行完毕了");
 }