高级同步技巧
Semaphore
Semaphore信号量，据说是Dijkstra大神发明的。内部维护一个许可集(Permits Set)，用于发放许可和回收许可，存在内部计数器，主要用来计数能否得到资源（一般用来限制同时访问资源数）。当一个线程拿到许可，计数器减一；当线程释放资源则计数器加一；当计数器为0则阻塞线程。
特别地： Semaphore的同步锁机制仅仅用于对访问许可的同步，对于需要访问对象的池等的同步锁并不保证。如一个线程池需要访问一个资源池，此时对于每一个需要访问资源的线程，要先获得许可，这是在Semaphore中得到同步保护的，但是在得到许可后，对资源池本身的存取等依然是非同步保护的。需要自己实现。（或者是资源池本身的同步维护）——所以在方法中应该确保首先释放（线程所占）资源，再去释放许可。
JDK中的示例代码：
Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。例如，下面的类使用信号量控制对内容池的访问：
class Pool {
private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);
public Object getItem() throws InterruptedException {
available.acquire();
return getNextAvailableItem();
}
public void putItem(Object x) {
if (markAsUnused(x))
available.release();
}
// Not a particularly efficient data structure; just for demo
protected Object[] items = ... whatever kinds of items being managed
protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];
protected synchronized Object getNextAvailableItem() {
for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if (!used[i]) {
used[i] = true;
return items[i];
}
}
return null; // not reached
}
protected synchronized boolean markAsUnused(Object item) {
for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if (item == items[i]) {
if (used[i]) {
used[i] = false;
return true;
} else
return false;
}
}
return false;
}
}
Semaphore的构造方法为：
Semaphore(int permits); 给出允许发放的许可个数，默认不公平发放
Semaphore(int permits, boolead fair); 除给出许可个数外，boolean值代表是否允许公平发放许可
acquire(),release()分别是取得许可和释放许可。当Semaphore的许可数目为1时，即只有1和0两种状态，此时的Semaphore被称之为二进制信号量，是完全互斥的，仅允许线程一个一个执行。
另外同Lock类相同，Semaphore也有两种特殊acquire的方法：
acquireUninterruptibly()： 普通的acquire()方法在阻塞的时候是可以被中断的，且抛出异常。但是使用此方法会忽视中断信息且不会抛出异常。
tryAcquire()： 如果可以得到许可返回true，如果不能则立即返回false，并不会阻塞或者等待Semaphore的释放。
CountDownLatch
CountDownLatch提供这样一个类：目的在于同步线程之间的任务，它让一个或多个线程等待，直到一组操作全都执行完毕才返回。初始化时仅需要一个int参数，用来表示这一组操作共有多少任务，该正数传递到CountDownLatch对象的计数器中。当某个线程完成自己的任务时调用await()方法，该方法在内部计数器未自减到0之前让线程保持睡眠，当计数器减少到0时会唤醒所有调用await()而睡眠的线程并返回结果。CountDownLatch对象的countDown()方法会自减其内部计数器。
特别地：注意CountDownLatch对象只能使用一次，内部计数器初始化后均不可再更改值，当计数器减少到0时，再调用countDown()方法也不会有影响。如果需要下一次同步则必须生成新的对象。
CountDownLatch和临界区保护等没有关系，仅
示例代码：
package com.lyb.Section3;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* Created by lyb on 15-7-28.
*/
public class VideoConferenceTest {
public static void main(String[] args){
VideoConference conference = new VideoConference(10);
Thread conferenceThread = new Thread(conference);
conferenceThread.start();
for (int i = 0; i < 10; i++){
Participant participant = new Participant(conference,"Participant " + i);
Thread thread = new Thread(participant);
thread.start();
}
}
}
class VideoConference implements Runnable{
private final CountDownLatch countDownLatchControler;
public VideoConference(int number){
countDownLatchControler = new CountDownLatch(number);
}
public void arrive(String name){
System.out.printf("%s has arrived. \n",name);
countDownLatchControler.countDown();
System.out.printf("VideoConference : Waiting for %d conferences \n", countDownLatchControler.getCount());
}
public void run(){
System.out.printf("VideoConference Initialization : %d participants. \n",
countDownLatchControler.getCount());
try {
countDownLatchControler.await();
System.out.printf("All the participants come \n");
System.out.printf("Let‘s begin the conference .... \n");
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
}
class Participant implements Runnable{
private VideoConference conference;
private String name;
public Participant(VideoConference conference, String name){
this.conference = conference;
this.name = name;
}
public void run(){
try {
long duration = (long)(Math.random()*10);
TimeUnit.SECONDS.sleep(duration);
}catch (InterruptedException e ){
e.printStackTrace();
}
conference.arrive(name);
}
}
CyclicBarrier
CyclicBarrier跟CountDownLatch类相似，也是在多个线程到达某一同步点之后睡眠，等待一系列操作完成之后，再进行下一个任务。这里仍然是同步的线程数目，当有一个线程到达时，先睡眠，到达的数目为制定数目后可以进行初始化参数的Runnable任务。
（这里有一个疑问，如果是线程池中，仅有3条线程，但是在这里CyclicBarrier设置为5，拿是不是永远达不到Barrier了？）
另一个版本的await()方法：
await(long time, TimeUnit unit): 唤醒条件为休眠被中断，内部计数器到达，等待时间到。
getNumberWaiting() 返回当前在屏障前等待的参与者的数目
getParties() 返回同步的任务数，即总共需要达到屏障前的数目
CyclicBarrier同CountDownLatch最大的不同是CyclicBarrier可以被重用，使用reset()方法可以重置barrier，但是全部正在await()的线程将抛出broken异常。Broken状态是Barrier的特殊状态，在此状态下不能操作，状态的引起是由于正在await()的某个线程被中断。isBroken()可以检测该状态。
Phaser
Phaser移相器是JDK1.7引入的新类，可以运行阶段性的并发任务。当任务是分为多个步骤来做，则Phaser可以在每个阶段的的结尾同步线程，所以除非完成第一个阶段，否则不可能开始第二个步骤。
package com.lyb.Section3;
import com.sun.xml.internal.stream.util.ThreadLocalBufferAllocator;
import java.io.File;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.List;
import java.util.Timer;
import java.util.concurrent.Phaser;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* Created by lyb on 15-7-30.
*/
public class PhaserTest {
public static void main(String[] args){
Phaser phaser = new Phaser(3);
FileSearch ahome = new FileSearch("/home/lyb/WorkSpace","md",phaser);
FileSearch bhome = new FileSearch("/home/lyb/Book","md",phaser);
FileSearch chome = new FileSearch("/home/lyb/Software","md",phaser);
Thread ahomeThread = new Thread(ahome,"WorkSpace");
ahomeThread.start();
Thread bhomeThread = new Thread(bhome,"Book");
bhomeThread.start();
Thread chomeThread = new Thread(chome,"Software");
chomeThread.start();
try {
ahomeThread.join();
bhomeThread.join();
chomeThread.join();
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.printf("Terminated：" + phaser.isTerminated());
}
}
class FileSearch implements Runnable{
private String initPath;
private String end;
private Phaser phaser;
private List<String> results;
public FileSearch(String initPath, String end, Phaser phaser){
this.initPath = initPath;
this.end = end;
this.phaser = phaser;
results = new ArrayList<>();
}
private void directoryProcessed(File file){
File filelist[] = file.listFiles();
if (filelist != null){
for (File file1 : filelist){
if (file1.isDirectory()){
directoryProcessed(file1);
}else {
fileProcessed(file1);
}
}
}
}
private void fileProcessed(File file){
if (file.getName().endsWith(end)){
results.add(file.getAbsolutePath());
}
}
private void filterResults(){
List<String> newResults = new ArrayList<>();
long actualTime = new Date().getTime();
for (String filePath : results){
File file = new File(filePath);
long modifyTime = file.lastModified();
if (actualTime - modifyTime < TimeUnit.MILLISECONDS.convert(100,TimeUnit.DAYS)){
newResults.add(filePath);
}
}
results = newResults;
}
private boolean checkResults(){
if (results.isEmpty()){
System.out.printf("%s : Phase %d: 0 results \n",
Thread.currentThread().getName(),
phaser.getPhase());
System.out.printf("%s : Phase %d: end \n",
Thread.currentThread().getName(),
phaser.getPhase());
phaser.arriveAndDeregister();
return false;
}else {
System.out.printf("%s : Phase %d : %d results. \n",
Thread.currentThread().getName(),
phaser.getPhase(),results.size());
phaser.arriveAndAwaitAdvance();
return true;
}
}
private void showInfo(){
for (String filePath : results){
File file = new File(filePath);
System.out.printf("%s : %s \n",Thread.currentThread().getName(),file.getAbsoluteFile());
}
phaser.arriveAndAwaitAdvance();
}
public void run(){
phaser.arriveAndAwaitAdvance();
System.out.printf("%s Starting. \n", Thread.currentThread().getName());
File file = new File(initPath);
if (file.isDirectory()){
directoryProcessed(file);
}
if (!checkResults()){
return;
}
filterResults();
if (!checkResults()){
return;
}
showInfo();
phaser.arriveAndDeregister();
System.out.printf("%s Work completed. \n", Thread.currentThread().getName());
}
}
Phaser的构造函数接受的参数是指在phase末端控制的同步的线程数目，也称之为参与者数目。在run方法中首先调用arriveAndAwaitAdvance(),这样每个线程都在自己创建完毕后等待其他线程，同时每次调用该方法，会更新phase内部的线程计数，减去完结的线程数，得到现在实际应该同步的线程数，并使当前线程睡眠，等待最后一个同步线程到达，使所有的线程唤醒，开始执行第二个phase的操作。
arriveAndDeregister()是在线程到达phase时，已经判定为应该终止的线程，Deregister之后，phase内部计数减一，不会再计算该线程。当然每个phase执行到最后，都应每个线程调用该方法，退出phase计数。
最终，由main方法中调用isTerminated()退出phaser。
Phaser 对象可能是在这2中状态：
- Active: 当 Phaser 接受新的参与者注册，它进入这个状态，并且在每个phase的末端同步。 (在此状态，Phaser像在这个指南里解释的那样工作。此状态不在Java 并发 API中。)
- Termination: 默认状态，当Phaser里全部的参与者都取消注册，它进入这个状态，所以这时 Phaser 有0个参与者。更具体的说，当onAdvance() 方法返回真值时，Phaser 是在这个状态里。如果你覆盖那个方法,你可以改变它的默认行为。当 Phaser 在这个状态，同步方法 arriveAndAwaitAdvance()会立刻返回，不会做任何同步。
Phaser 类的一个显著特点是你不需要控制任何与phaser相关的方法的异常。不像其他同步应用，线程们在phaser休眠不会响应任何中断也不会抛出 InterruptedException 异常。只有一个异常InterruptedException在特定中才会出现。
The Phaser类还提供了其他相关方法来改变phase。他们是：
- arrive(): 此方法示意phaser某个参与者已经结束actual phase了，但是他应该等待其他的参与者才能继续执行。小心使用此法，因为它并不能与其他线程同步。(不懂。。。)
- awaitAdvance(int phase): 如果我们传递的参数值等于phaser的actual phase，此方法让当前线程进入睡眠直到phaser的全部参与者结束当前的phase。如果参数值与phaser 的 actual phase不等，那么立刻返回。
- awaitAdvanceInterruptibly(int phaser): 此方法等同与之前的方法，只是在线程正在此方法中休眠而被中断时候，它会抛出InterruptedException 异常。
当你创建一个 Phaser 对象,你表明了参与者的数量。但是Phaser类还有2种方法来增加参与者的数量。他们是：
- register(): 此方法为Phaser添加一个新的参与者。这个新加入者会被认为是还未到达 actual phase.
- bulkRegister(int Parties): 此方法为Phaser添加一个特定数量的参与者。这些新加入的参与都会被认为是还未到达 actual phase.
- Phaser类提供的唯一一个减少参与者数量的方法是arriveAndDeregister() 方法，它通知phaser线程已经结束了actual phase,而且他不想继续phased的操作了。
当phaser有0个参与者，它进入一个称为Termination的状态。Phaser 类提供 forceTermination() 来改变phaser的状态，让它直接进入Termination 状态，不在乎已经在phaser中注册的参与者的数量。此机制可能会很有用在一个参与者出现异常的情况下来强制结束phaser.
当phaser在 Termination 状态， awaitAdvance() 和 arriveAndAwaitAdvance() 方法立刻返回一个负值，而不是一般情况下的正值如果你知道你的phaser可能终止了，那么你可以用这些方法来确认他是否真的终止了。
个人总结：
- 任意时刻都可以加入phase，通过register和bulkregister，第一次到达phase才开始同步
- onArrive和onAdvance会手动调用线程的到达，onarrive并不等待其他的线程，而如果onAdvance返回true（其实是判断内部的计数是否是0），则即将进入termination。
- 可以级联，成为phase树，而且child phase的参与者的register是自动在parent的计数上注册的。当子phase参与者为0，则自动从树上裂解。
- 有效的镜像，可以通过随时调用getxxx方法得到参与者数量，为到达数量等等。
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