Synchronizer 类

 

Synchronizer 类

Synchronizer

java.util.concurrent 中其他类别的有用的类也是同步工具。这组类相互协作，控制一个或多个线程的执行流。

Semaphore、CyclicBarrier、CountdownLatch 和 Exchanger 类都是同步工具的例子。每个类都有线程可以调用的方法，方法是否被阻塞取决于正在使用的特定同步工具的状态和规则。

Semaphore

Semaphore 类实现标准 Dijkstra 计数信号。计数信号可以认为具有一定数量的许可权，该许可权可以获得或释放。如果有剩余的许可权，acquire() 方法将成功，否则该方法将被阻塞，直到有可用的许可权（通过其他线程释放许可权）。线程一次可以获得多个许可权。

计数信号可以用于限制有权对资源进行并发访问的线程数。该方法对于实现资源池或限制 Web 爬虫（Web crawler）中的输出 socket 连接非常有用。

注意信号不跟踪哪个线程拥有多少许可权；这由应用程序来决定，以确保何时线程释放许可权，该信号表示其他线程拥有许可权或者正在释放许可权，以及其他线程知道它的许可权已释放。

互斥

计数信号的一种特殊情况是互斥，或者互斥信号。互斥就是具有单一许可权的计数信号，意味着在给定时间仅一个线程可以具有许可权（也称为二进制信号）。互斥可以用于管理对共享资源的独占访问。

虽然互斥许多地方与锁定一样，但互斥还有一个锁定通常没有的其他功能，就是互斥可以由具有许可权的线程之外的其他线程来释放。这在死锁恢复时会非常有用。

CyclicBarrier

CyclicBarrier 类可以帮助同步，它允许一组线程等待整个线程组到达公共屏障点。CyclicBarrier 是使用整型变量构造的，其确定组中的线程数。当一个线程到达屏障时（通过调用 CyclicBarrier.await()），它会被阻塞，直到所有线程都到达屏障，然后在该点允许所有线程继续执行。该操作与许多家庭逛商业街相似 —— 每个家庭成员都自己走，并商定 1:00 在电影院集合。当您到电影院但不是所有人都到了时，您会坐下来等其他人到达。然后所有人一起离开。

认为屏障是循环的是因为它可以重新使用；一旦所有线程都已经在屏障处集合并释放，则可以将该屏障重新初始化到它的初始状态。

还可以指定在屏障处等待时的超时；如果在该时间内其余线程还没有到达屏障，则认为屏障被打破，所有正在等待的线程会收到BrokenBarrierException。

下列代码将创建 CyclicBarrier 并启动一组线程，每个线程将计算问题的一部分，等待所有其他线程结束之后，再检查解决方案是否达成一致。如果不一致，那么每个工作线程将开始另一个迭代。该例将使用 CyclicBarrier 变量，它允许注册 Runnable，在所有线程到达屏障但还没有释放任何线程时执行 Runnable。

class Solver { // Code sketch

  void solve(final Problem p, int nThreads) {
  final CyclicBarrier barrier = 
    new CyclicBarrier(nThreads,
      new Runnable() {
        public void run() { p.checkConvergence(); }}
    );
    for (int i = 0; i < nThreads; ++i) {
      final int id = i;
      Runnable worker = new Runnable() {
        final Segment segment = p.createSegment(id);
        public void run() {
          try {
            while (!p.converged()) {
              segment.update();
              barrier.await();
            }
          }
          catch(Exception e) { return; }
        }
      };
      new Thread(worker).start();
   }
}

 

CountdownLatch

CountdownLatch 类与 CyclicBarrier 相似，因为它的角色是对已经在它们中间分摊了问题的一组线程进行协调。它也是使用整型变量构造的，指明计数的初始值，但是与 CyclicBarrier 不同的是，CountdownLatch 不能重新使用。

其中，CyclicBarrier 是到达屏障的所有线程的大门，只有当所有线程都已经到达屏障或屏障被打破时，才允许这些线程通过，CountdownLatch 将到达和等待功能分离。任何线程都可以通过调用 countDown() 减少当前计数，这种不会阻塞线程，而只是减少计数。await() 方法的行为与 CyclicBarrier.await() 稍微有所不同，调用 await() 任何线程都会被阻塞，直到闩锁计数减少为零，在该点等待的所有线程才被释放，对 await() 的后续调用将立即返回。

当问题已经分解为许多部分，每个线程都被分配一部分计算时，CountdownLatch 非常有用。在工作线程结束时，它们将减少计数，协调线程可以在闩锁处等待当前这一批计算结束，然后继续移至下一批计算。

相反地，具有计数 1 的 CountdownLatch 类可以用作“启动大门”，来立即启动一组线程；工作线程可以在闩锁处等待，协调线程减少计数，从而立即释放所有工作线程。下例使用两个 CountdownLatche。一个作为启动大门，一个在所有工作线程结束时释放线程：

 

class Driver { 
   void main() throws InterruptedException {
     CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
     CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);

     for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads
       new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();

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

 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;
   }
 }

 

Exchanger

Exchanger 类方便了两个共同操作线程之间的双向交换；这样，就像具有计数为 2 的 CyclicBarrier，并且两个线程在都到达屏障时可以“交换”一些状态。（Exchanger 模式有时也称为聚集。）

Exchanger 通常用于一个线程填充缓冲（通过读取 socket），而另一个线程清空缓冲（通过处理从 socket 收到的命令）的情况。当两个线程在屏障处集合时，它们交换缓冲。下列代码说明了这项技术：

 

class FillAndEmpty {
   Exchanger<DataBuffer> exchanger = new Exchanger<DataBuffer>();
   DataBuffer initialEmptyBuffer = new DataBuffer();
   DataBuffer initialFullBuffer = new DataBuffer();

   class FillingLoop implements Runnable {
     public void run() {
       DataBuffer currentBuffer = initialEmptyBuffer;
       try {
         while (currentBuffer != null) {
           addToBuffer(currentBuffer);
           if (currentBuffer.full())
             currentBuffer = exchanger.exchange(currentBuffer);
         }
       } catch (InterruptedException ex) { ... handle ... }
     }
   }

   class EmptyingLoop implements Runnable {
     public void run() {
       DataBuffer currentBuffer = initialFullBuffer;
       try {
         while (currentBuffer != null) {
           takeFromBuffer(currentBuffer);
           if (currentBuffer.empty())
             currentBuffer = exchanger.exchange(currentBuffer);
         }
       } catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
     }
   }

   void start() {
     new Thread(new FillingLoop()).start();
     new Thread(new EmptyingLoop()).start();
   }
 }