Java并发工具类---ForkJoin、countDownlatch、CyclicBarrier、Semaphore

一、Fork Join

fork join是JDK7引入的一种并发框架，采用分而治之的思想来处理并发任务

ForkJoin框架底层实现了工作窃取，当一个线程完成任务处于空闲状态时，会窃取其他工作线程的任务来做，这样可以充分利用线程来进行并行计算，减少线程竞争。但是在某些情况下也会存在竞争。

Fork Join框架局限性：
1.拆分任务中不应该去执行IO操作
2.任务不能检查抛出异常，必须通过必要的代码来抛出异常。这个在源码中就可以体现，很多地方都是通过代码主动抛出异常。
3.任务只能使用Fork和Join操作来进行同步机制，如果使用了其他同步机制，则在同步操作时，工作线程就不能执行其他任务了。比如，在Fork/Join框架中，使任务进行了睡眠，那么，在睡眠期间内，正在执行这个任务的工作线程将不会执行其他任务了。

Demo：
ForkJoin进行累加计算

public class MakeArray {
	public static final int ARRAY_LENGTH=4000;

	//获取一个随机数的数组
	public static int[] makeArray(){

		Random r=new Random();
		int[] res=new int[ARRAY_LENGTH];
		for(int i=0;i<ARRAY_LENGTH;i++){
			res[i]=r.nextInt(ARRAY_LENGTH*3);
		}
		return res;
	}
}

public class SumArray {
	private static class SumTask extends RecursiveTask<Integer>{

		private final static int THRESHOLD=MakeArray.ARRAY_LENGTH/10;
		private int[] src;
		private int fromIndex;
		private int toIndex;

		public SumTask(int[] src, int fromIndex, int toIndex) {
			this.src = src;
			this.fromIndex = fromIndex;
			this.toIndex = toIndex;
		}

		@Override
		protected Integer compute() {
			if(toIndex-fromIndex<THRESHOLD){
				//无需再拆分
				int count=0;
				for(int i=fromIndex;i<=toIndex;i++){
					try {
						TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
						count+=src[i];
					} catch (InterruptedException e) {
						throw new RuntimeException(e);
					}

				}
				return count;
			}else{
				int mid=(fromIndex+toIndex)/2;
				SumTask left=new SumTask(src,fromIndex,mid);
				SumTask right=new SumTask(src,mid+1,toIndex);
				invokeAll(left,right); //执行任务，把任务添加到队列，该方法中执行了fork
				return left.join()+right.join(); //合并结果
			}


		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		int[] src=MakeArray.makeArray();
		ForkJoinPool pool=new ForkJoinPool();
		SumTask innerFind=new SumTask(src,0,src.length-1);
		long start=System.currentTimeMillis();
		pool.invoke(innerFind);
		System.out.println("The count is "+innerFind.join()+" spend time:"+(System.currentTimeMillis()-start)+" ms");
	}
}

运行结果：
在这里插入图片描述
采用单线程进行对比：

public class SumNormal {

	public static void main(String[] args) {
		int count=0;
		int[] src=MakeArray.makeArray();
		long start=System.currentTimeMillis();
		for(int i=0;i<src.length;i++){
			try {
				TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
				count+=src[i];
			} catch (InterruptedException e) {
				throw new RuntimeException(e);
			}
		}
		System.out.println("The count is "+count
			+" spend time:"+(System.currentTimeMillis()-start)+"ms");
	}
}

在这里插入图片描述

二、countDownlatch

在这里插入图片描述
countDownlatch也是一个java的同步工具类，它通过计数器来控制线程的执行顺序。初始化时需要初始化计数器的值，一般都是线程数量。每当一个线程执行完任务，计数器减一，当计数器为0，等待的线程就可以恢复执行任务。

需注意： 计数器的值不一定就是线程数量，线程中可以多次调用countDown来使计数器减一。
执行减一操作后，线程不一定要终止，也可以继续执行任务（如上图Ta，Td）。

Demo：

public class UseCountDownLatch {
	//计数器设置为6
	static CountDownLatch latch=new CountDownLatch(6);
	private static class InitThread implements Runnable{

		@Override
		public void run() {
			System.out.println("Thread_"+Thread.currentThread().getId()+
				" ready init work...");
				//计数器减1
			latch.countDown();
			for(int i=0;i<2;i++){
				System.out.println("Thread_"+Thread.currentThread().getId()
					+"......continue do its work");
			}
		}
	}

	private static class BusiThread implements Runnable{

		@Override
		public void run() {
			try {
				//在此处会阻塞，当计数器扣减为0时会被唤醒
				latch.await();
			} catch (InterruptedException e) {
				throw new RuntimeException(e);
			}
			for(int i=0;i<3;i++){
				System.out.println("BusiThread_"+Thread.currentThread().getId()
				+" do business----");
			}
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
					System.out.println("Thread_"+Thread.currentThread().getId()+
						" ready init work step 1st...");
					latch.countDown();
					System.out.println("begin step 2nd....");
					TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
					System.out.println("Thread_"+Thread.currentThread().getId()
						+" ready init work step 2nd...");
					latch.countDown();
				} catch (InterruptedException e) {
					throw new RuntimeException(e);
				}
			}
		}).start();
		new Thread(new BusiThread()).start();
		for(int i=0;i<=3;i++){
			new Thread(new InitThread()).start();
		}
		try {
			latch.await();
			System.out.println("Main do ites work ...");
		} catch (InterruptedException e) {
			throw new RuntimeException(e);
		}
	}
}

运行结果：
在这里插入图片描述

三、CyclicBarrier

CyclicBarrier可以实现让一组线程达到一个屏障（Barrier）时被阻塞，当所有线程都到达屏障时，被阻塞的线程才会继续执行
Demo：

public class UseCyclicBarrier {

	//屏障拦截四个线程，当屏障放开时，会执行传入的CollectThread
	private static CyclicBarrier barrier=new CyclicBarrier(4,new CollectThread());
	//存储子线程的工作结果
	private static ConcurrentHashMap<String,Long> resultmap
		=new ConcurrentHashMap<>();

	public static void main(String[] args) {
		for(int i=0;i<=3;i++){
			new Thread(new SubThread()).start();
		}
	}
	private static class CollectThread implements Runnable{

		@Override
		public void run() {
			StringBuilder res=new StringBuilder();
			for(Map.Entry<String,Long> r:resultmap.entrySet()){
				res.append("["+r.getValue()+"]");
			}
			System.out.println("the result ="+res);
		}
	}

	private static class SubThread implements Runnable{
		@Override
		public void run() {
			long id=Thread.currentThread().getId();
			resultmap.put(Thread.currentThread().getId()+"",id);
			System.out.println("Thread_"+id+"...do something");
			try {
				//在此处被屏障拦截，当屏障放开后才会继续执行
				barrier.await();
				System.out.println("Thread_"+id+"...do its business");
			} catch (InterruptedException e) {
				throw new RuntimeException(e);
			} catch (BrokenBarrierException e) {
				throw new RuntimeException(e);
			}
		}
	}

}

结果：
在这里插入图片描述

四、Semaphore

Semaphore的中文翻译就是信号量，是用来进行流量控制的，可以协调各个线程合理的使用资源。
new Semaphore(10) 来创建一个信号量，值为10，这里会创建一个非公平的锁的同步阻塞队列。
acquire方法信号量-1 release方法信号量+1 信号量为0时再执行acquire就会阻塞，直到信号量不为0时（其他线程执行了release）才会继续运行

1.Semaphore实现连接池

注意，实现连接池时需要用两个Semaphore，因为通过release归还时，信号量会超出10个的限制

public class DBPoolSemaphore {
	private final static int POOL_SIZE=10;
	//可用连接和已用连接
	private final Semaphore useful,useless;
	//存放数据库连接的容器
	private static LinkedList<Connection> pool=new LinkedList<>();

	public DBPoolSemaphore() {
		this.useful=new Semaphore(10);
		this.useless=new Semaphore(0);
		for(int i=0;i<POOL_SIZE;i++){
			pool.addLast(SqlConnectImpl.fetchConnection());
		}
	}
	//归还连接
	public void returnConnect(Connection connection) throws InterruptedException {
		if(connection!=null){
			System.out.println("There are now"+useful.getQueueLength()+"threads waiting to connection "+
				"useful connection:"+ useful.availablePermits());
			useless.acquire();
			synchronized (pool){
				pool.addLast(connection);
			}
			useful.release();
		}
	}
	//获取连接
	public Connection getConnect() throws InterruptedException {
		useful.acquire();
		Connection connection;
		synchronized (pool){
			connection=pool.removeFirst();
		}
		useless.release();
		return connection;
	}
}

public class AppTest {
	private static DBPoolSemaphore dbPool=new DBPoolSemaphore();
	private static class BusiThread extends Thread{
		@Override
		public void run() {
			Random r=new Random();
			long start=System.currentTimeMillis();
			try {
				Connection connection= dbPool.getConnect();
				System.out.println("Thread_"+Thread.currentThread().getId()+
					"get db connection use time:"+(System.currentTimeMillis()-start)+"ms");
				TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100+r.nextInt(100)); //模拟业务操作
				System.out.println("task completion,return connection");
				dbPool.returnConnect(connection);
			} catch (InterruptedException e) {
				throw new RuntimeException(e);
			}
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		for(int i=0;i<50;i++){
			Thread thread=new BusiThread();
			thread.start();
		}
	}
}

运行结果：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.思考

使用双信号量是为了防止信号量会超过10个的限制，如果按如下的方法调用连接池：

public class AppTest {
	private static DBPoolSemaphore dbPool=new DBPoolSemaphore();
	private static class BusiThread extends Thread{
		@Override
		public void run() {
			Random r=new Random();
			long start=System.currentTimeMillis();
			try {
//				Connection connection= dbPool.getConnect();
//				System.out.println("Thread_"+Thread.currentThread().getId()+
//					"get db connection use time:"+(System.currentTimeMillis()-start)+"ms");
//				TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100+r.nextInt(100)); //模拟业务操作
//				System.out.println("task completion,return connection");
				dbPool.returnConnect(new SqlConnectImpl());
			} catch (InterruptedException e) {
				throw new RuntimeException(e);
			}
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		for(int i=0;i<50;i++){
			Thread thread=new BusiThread();
			thread.start();
		}
	}
}

在线程中，只归还连接，归还的是自己new出来的连接。如果此时是单信号量只有useful，那么useful会变成60个：
在这里插入图片描述

    //单信号量
	public void returnConnect(Connection connection) throws InterruptedException {
		if(connection!=null) {
			System.out.println("There are now"+useful.getQueueLength()+"threads waiting to connection "+
				"useful connection:"+ useful.availablePermits());
			synchronized (pool) {
				pool.addLast(connection);
			}
			useful.release();
		}
	}

如果采用两个信号量，因为useless一开始为0，所以没有get连接直接归还连接时，会在useless.acquire那里阻塞住，可以有效的防止上面情况的发生。

	//双信号量
	public void returnConnect(Connection connection) throws InterruptedException {
		if(connection!=null){
			System.out.println("There are now"+useful.getQueueLength()+"threads waiting to connection "+
				"useful connection:"+ useful.availablePermits());
			System.out.println("1");
			useless.acquire(); //useless一开始为0.直接调用returnConnect会在这里阻塞住
			System.out.println("2");
			synchronized (pool){
				pool.addLast(connection);
			}
			useful.release();
		}
	}

在这里插入图片描述
log中并没有2，归还连接时被阻塞在useless.acquire

总之，双信号量可以有效的防止可用连接溢出的情况发生。个人感觉，如果是实现一个线程池，线程池中的连接不能让用户通过new SqlConnectImpl()这种形式new出来，SqlConnectImpl应该是对用户不可见的。对于用户来说，应该只能通过getConnect来从线程池获取连接，这样或许也能够避免这种问题出现。

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