讲义整理-线程的并发工具类

桃扇骨 2023-01-14 05:52 206阅读 0赞

### 讲义整理-并发编程 ###

*  线程的并发工具类
 *   *  Fork-Join
     *  分而治之
     *   *  归并排序
         *  归并排序（降序）示例
     *  Fork-Join 原理
     *   *  工作密取
     *  Fork/Join 实战
     *   *  Fork/Join 使用的标准
         *  Fork/Join 的同步用法和异步用
     *  CountDownLatch
     *  CyclicBarrier
     *  CountDownLatch 和 CyclicBarrier 辨析
     *  Semaphore
     *   *  Semaphore 还提供一些其他方法，具体如下。
         *  用 Semaphore 实现数据库连接池
         *  Semaphore 注意事项
     *  Exchange
     *  Callable、Future 和 FutureTask

--------------------

# 线程的并发工具类 #

## Fork-Join ##

java下多线程的开发可以我们自己启用多线程，线程池，还可以使用forkjoin，forkjoin 可以让我们不去了解诸如 Thread,Runnable 等相关的知识，只要遵循forkjoin 的开发模式，就可以写出很好的多线程并发程序，

## 分而治之 ##

同时 forkjoin 在处理某一类问题时非常的有用，哪一类问题？分而治之的问题。十大计算机经典算法：快速排序、堆排序、归并排序、二分查找、线性查找、深度优先、广度优先、Dijkstra、动态规划、朴素贝叶斯分类，有几个属于分而治之？3 个，快速排序、归并排序、二分查找，还有大数据中 M/R 都是。

分治法的设计思想是：将一个难以直接解决的大问题，分割成一些规模较小  
的相同问题，以便各个击破，分而治之。

分治策略是：对于一个规模为 n 的问题，若该问题可以容易地解决（比如说规模 n 较小）则直接解决，否则将其分解为 k 个规模较小的子问题，**这些子问题互相独立且与原问题形式相同(子问题相互之间有联系就会变为动态规范算法)**，递归地解这些子问题，然后将各子问题的解合并得到原问题的解。这种算法设计策略叫做分治法。

### 归并排序 ###

归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。该算法是采用分治法的一个非常典型的应用。将已有序的子序列合并，得到完全有序的序列；即先使每个子序列有序，再使子序列段间有序。

若将两个有序表合并成一个有序表，称为 2-路归并，与之对应的还有多路归并。

对于给定的一组数据，利用递归与分治技术将数据序列划分成为越来越小的半子表，在对半子表排序后，再用递归方法将排好序的半子表合并成为越来越大的有序序列。

为了提升性能，有时我们在半子表的个数小于某个数（比如 15）的情况下，对半子表的排序采用其他排序算法，比如插入排序。

### 归并排序（降序）示例 ###

![在这里插入图片描述][20210416104727309.png]  
先讲数组划分为左右两个子表：

![在这里插入图片描述][20210416104750220.png]![在这里插入图片描述][20210416104805735.png]

然后继续左右两个子表拆分：  
![在这里插入图片描述][20210416105043116.png]  
对最后的拆分的子表，两两进行排序

![在这里插入图片描述][20210416105107730.png]  
对有序的子表进行排序和比较合并

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
对合并后的子表继续比较合并  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## Fork-Join 原理 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 工作密取 ###

即当前线程的 Task 已经全被执行完毕，则自动取到其他线程的 Task 池中取出 Task 继续执行。

ForkJoinPool 中维护着多个线程（一般为 CPU 核数）在不断地执行 Task，每个线程除了执行自己职务内的 Task 之外，还会根据自己工作线程的闲置情况去获取其他繁忙的工作线程的 Task，如此一来就能能够减少线程阻塞或是闲置的时间，提高 CPU 利用率

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## Fork/Join 实战 ##

### Fork/Join 使用的标准 ###

我们要使用 ForkJoin 框架，必须首先创建一个 ForkJoin 任务。它提供在任务中执行 fork 和 join 的操作机制，通常我们不直接继承 ForkjoinTask 类，只需要直接继承其子类。

1.  RecursiveAction，用于没有返回结果的任务
2.  RecursiveTask，用于有返回值的任务  
    task 要通过 ForkJoinPool 来执行，使用 submit 或 invoke 提交，两者的区别是：invoke 是同步执行，调用之后需要等待任务完成，才能执行后面的代码；submit 是异步执行。  
    join()和 get 方法当任务完成的时候返回计算结果

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
在我们自己实现的 compute 方法里，首先需要判断任务是否足够小，如果足够小就直接执行任务。如果不足够小，就必须分割成两个子任务，每个子任务在调用 invokeAll 方法时，又会进入 compute 方法，看看当前子任务是否需要继续分割成孙任务，如果不需要继续分割，则执行当前子任务并返回结果。使用 join方法会等待子任务执行完并得到其结果。

### Fork/Join 的同步用法和异步用 ###

参见代码包 cn.enjoyedu.ch2.forkjo

## CountDownLatch ##

闭锁，CountDownLatch 这个类能够使一个线程等待其他线程完成各自的工作后再执行。例如，应用程序的主线程希望在负责启动框架服务的线程已经启动所有的框架服务之后再执行。

CountDownLatch 是通过一个计数器来实现的，计数器的初始值为初始任务的数量。每当完成了一个任务后，计数器的值就会减 1（CountDownLatch.countDown()方法）。当计数器值到达 0 时，它表示所有的已经完成了任务，然后在闭锁上等待 CountDownLatch.await()方法的线程就可以恢复执行任务。

**应用场景：**

实现最大的并行性：有时我们想同时启动多个线程，实现最大程度的并行性。例如，我们想测试一个单例类。如果我们创建一个初始计数为 1 的CountDownLatch，并让所有线程都在这个锁上等待，那么我们可以很轻松地完成测试。我们只需调用 一次 countDown()方法就可以让所有的等待线程同时恢复执行。  
开始执行前等待 n 个线程完成各自任务：例如应用程序启动类要确保在处理用户请求前，所有 N 个外部系统已经启动和运行了，例如处理 excel 中多个表单。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
参见代码包 cn.enjoyedu.ch2.tools 下

## CyclicBarrier ##

CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续运行。

CyclicBarrier 默认的构造方法是 CyclicBarrier（int parties），其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用 await 方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

CyclicBarrier 还提供一个更高级的构造函数 CyclicBarrie（r int parties，RunnablebarrierAction），用于在线程到达屏障时，优先执行 barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。CyclicBarrier 可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
参见代码包 cn.enjoyedu.ch2.tools 下

## CountDownLatch 和 CyclicBarrier 辨析 ##

CountDownLatch 的计数器只能使用一次，而 CyclicBarrier 的计数器可以反复使用。  
CountDownLatch.await 一般阻塞工作线程，所有的进行预备工作的线程执行countDown，而 CyclicBarrier 通过工作线程调用 await 从而自行阻塞，直到所有工作线程达到指定屏障，再大家一起往下走。  
在控制多个线程同时运行上，CountDownLatch 可以不限线程数量，而CyclicBarrier 是固定线程数。  
同时，CyclicBarrier 还可以提供一个 barrierAction，合并多线程计算结果。

## Semaphore ##

Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。应用场景 Semaphore 可以用于做流量控制，特别是公用资源有限的应用场景，比如数据库连接。假如有一个需求，要读取几万个文件的数据，因为都是 IO 密集型任务，我们可以启动几十个线程并发地读取，但是如果读到内存后，还需要存储到数据库中，而数据库的连接数只有 10 个，这时我们必须控制只有 10 个线程同时获取数据库连接保存数据，否则会报错无法获取数据库连接。这个时候，就可以使用 Semaphore 来做流量控制。。Semaphore 的构造方法 Semaphore（int permits）接受一个整型的数字，表示可用的许可证数量。Semaphore 的用法也很简单，首先线程使用 Semaphore的 acquire()方法获取一个许可证，使用完之后调用 release()方法归还许可证。还可以用 tryAcquire()方法尝试获取许可证。

### Semaphore 还提供一些其他方法，具体如下。 ###

*  intavailablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数。
 *  intgetQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数
 *  booleanhasQueuedThreads()：是否有线程正在等待获取许可证。
 *  void reducePermit（s int reduction）：减少 reduction 个许可证，是个 protected方法。
 *  Collection getQueuedThreads()：返回所有等待获取许可证的线程集合，是个 protected 方法。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

### 用 Semaphore 实现数据库连接池 ###

参见代码,包 cn.enjoyedu.ch2.tools.semaphore

### Semaphore 注意事项 ###

参见代码类 cn.enjoyedu.ch2.tools.semaphore. DBPoolNoUseless 下

## Exchange ##

Exchanger（交换者）是一个用于线程间协作的工具类。Exchanger 用于进行线程间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过 exchange 方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange()方法，它会一直等待第二个线程也执行 exchange 方法，当两个线程都到达同步点时，这两个线程就可以交换数据，将本线程生产出来的数据传递给对方。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
参见代码包 cn.enjoyedu.ch2.tools

## Callable、Future 和 FutureTask ##

Runnable 是一个接口，在它里面只声明了一个 run()方法，由于 run()方法返回值为 void 类型，所以在执行完任务之后无法返回任何结果。

Callable 位于 java.util.concurrent 包下，它也是一个接口，在它里面也只声明了一个方法，只不过这个方法叫做 call()，这是一个泛型接口，call()函数返回的类型就是传递进来的 V 类型。

Future 就是对于具体的 Runnable 或者 Callable 任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过 get 方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

因为 Future 只是一个接口，所以是无法直接用来创建对象使用的，因此就有了下面的 FutureTask。  
![在这里插入图片描述][20210416112602872.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]  
FutureTask 类实现了 RunnableFuture 接口，RunnableFuture 继承了 Runnable接口和 Future 接口，而 FutureTask 实现了 RunnableFuture 接口。所以它既可以作为 Runnable 被线程执行，又可以作为 Future 得到 Callable 的返回值。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
因此我们通过一个线程运行 Callable，但是 Thread 不支持构造方法中传递Callable 的实例，所以我们需要通过 FutureTask 把一个 Callable 包装成 Runnable，然后再通过这个 FutureTask 拿到 Callable 运行后的返回值。

要 new 一个 FutureTask 的实例，有两种方法：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]  
参见代码包 cn.enjoyedu.ch2.tools 下

[20210416104727309.png]: /images/20221022/ac614f3ca7cb4227beaa3fef770ba656.png
[20210416104750220.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210416104750220.png
[20210416104805735.png]: /images/20221022/c5a1f8de3ab24c8d9ed7333d60bfb7e1.png
[20210416105043116.png]: /images/20221022/c61884adaeff431aa722fb6a554b4b87.png
[20210416105107730.png]: /images/20221022/cc9c61fad8a0431280f23e7e946141ee.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/4781ac8853a942c78de13535fce67a32.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221022/5ba4b00b6a2b43b3bf3af27e4f915c1a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221022/2892ec55f5c9427198577034524e71bd.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20221022/28132f2ba0a94f4cb2b7a75c1a2254ce.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20221022/9864695c9afe41a79d2d00dc51b90898.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20221022/d1510b25b1e64249bda322612b488a89.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20221022/f6b40db961c141c2a042d00f5ea7ce4d.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20221022/cc5e98ac13cc462aa31715e53a3a23c3.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: /images/20221022/fff15656ce0b485b8374fd2576748640.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]: /images/20221022/c93941387810454a8b6580a0854a5f1a.png
[20210416112602872.png]: /images/20221022/277956697def4e1bb045982cc1e03687.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]: /images/20221022/958694e471134e3da459d633e98c3e3c.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]: /images/20221022/9e2adc525b4a4f788dd83e89743429e3.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]: /images/20221022/d9fc596500544a1b99a25c0ea6a72db9.png