JUC锁机制

互斥锁ReentrantLock

概述

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。

顾名思义，ReentrantLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有；而可重入的意思是，ReentrantLock锁，可以被单个线程多次获取。

ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。“锁”是为了保护竞争资源，防止多个线程同时操作线程而出错，ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时，其它线程就必须等待)；ReentraantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；而“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。

代码示例

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// LockTest1.java
// 仓库
class Depot {
    private int size;        // 仓库的实际数量
    private Lock lock;        // 独占锁

    public Depot() {
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
    }

    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size += val;
            System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n",
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size -= val;
            System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n",
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}; 

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;

    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;

    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        Depot mDepot = new Depot();
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}
/*运行结果
Thread-0 produce(60) --> size=60
Thread-1 produce(120) --> size=180
Thread-3 consume(150) <-- size=30
Thread-2 consume(90) <-- size=-60
Thread-4 produce(110) --> size=50
*/

结果分析：

(01) Depot 是个仓库。通过produce()能往仓库中生产货物，通过consume()能消费仓库中的货物。通过独占锁lock实现对仓库的互斥访问：在操作(生产/消费)仓库中货品前，会先通过lock()锁住仓库，操作完之后再通过unlock()解锁。

(02) Producer是生产者类。调用Producer中的produce()函数可以新建一个线程往仓库中生产产品。

(03) Customer是消费者类。调用Customer中的consume()函数可以新建一个线程消费仓库中的产品。

(04) 在主线程main中，我们会新建1个生产者mPro，同时新建1个消费者mCus。它们分别向仓库中生产/消费产品。

根据main中的生产/消费数量，仓库最终剩余的产品应该是50。运行结果是符合我们预期的！

这个模型存在两个问题：

(01) 现实中，仓库的容量不可能为负数。但是，此模型中的仓库容量可以为负数，这与现实相矛盾！

(02) 现实中，仓库的容量是有限制的。但是，此模型中的容量确实没有限制的！

在“示例2”中，我们通过Condition去解决“示例1”中的两个问题：“仓库的容量不可能为负数”以及“仓库的容量是有限制的”。

解决该问题是通过Condition。Condition是需要和Lock联合使用的：通过Condition中的await()方法，能让线程阻塞[类似于wait()]；通过Condition的signal()方法，能让唤醒线程[类似于notify()]。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;

// LockTest3.java
// 仓库
class Depot {
    private int capacity;    // 仓库的容量
    private int size;        // 仓库的实际数量
    private Lock lock;        // 独占锁
    private Condition fullCondtion;            // 生产条件
    private Condition emptyCondtion;        // 消费条件

    public Depot(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
        this.fullCondtion = lock.newCondition();
        this.emptyCondtion = lock.newCondition();
    }

    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
             // left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多此生产)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存已满时，等待“消费者”消费产品。
                while (size >= capacity)
                    fullCondtion.await();
                // 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)
                // 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)
                // 否则“实际增量”=“想要生产的数量”
                int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
                size += inc;
                left -= inc;
                System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
                // 通知“消费者”可以消费了。
                emptyCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            // left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存为0时，等待“生产者”生产产品。
                while (size <= 0)
                    emptyCondtion.await();
                // 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)
                // 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；
                // 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。
                int dec = (size<left) ? size : left;
                size -= dec;
                left -= dec;
                System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
                fullCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String toString() {
        return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size;
    }
}; 

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;

    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;

    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        Depot mDepot = new Depot(100);
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}
/*
Thread-0 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100
Thread-2 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100
Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left=  0, inc= 10, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size=  0
Thread-1 produce(120) --> left=  0, inc= 80, size= 80
Thread-3 consume(150) <-- left=  0, dec= 30, size= 50
*/

Condition

Condition概述

Condition的作用是对锁进行更精确的控制。Condition中的await()方法相当于Object的wait()方法，Condition中的signal()方法相当于Object的notify()方法，Condition中的signalAll()相当于Object的notifyAll()方法。不同的是，Object中的wait(),notify(),notifyAll()方法是和”同步锁”(synchronized关键字)捆绑使用的；而Condition是需要与”互斥锁”/”共享锁”捆绑使用的。

Condition函数列表

// 造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。
void await()
// 造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。
boolean await(long time, TimeUnit unit)
// 造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。
long awaitNanos(long nanosTimeout)
// 造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。
void awaitUninterruptibly()
// 造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。
boolean awaitUntil(Date deadline)
// 唤醒一个等待线程。
void signal()
// 唤醒所有等待线程。
void signalAll()

Condition示例

示例1是通过Object的wait(), notify()来演示线程的休眠/唤醒功能。

示例2是通过Condition的await(), signal()来演示线程的休眠/唤醒功能。

示例3是通过Condition的高级功能。

示例1

public class WaitTest1 {

    public static void main(String[] args) {

        ThreadA ta = new ThreadA("ta");

        synchronized(ta) { // 通过synchronized(ta)获取“对象ta的同步锁”
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" start ta");
                ta.start();

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" block");
                ta.wait();    // 等待

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" continue");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    static class ThreadA extends Thread{

        public ThreadA(String name) {
            super(name);
        }

        public void run() {
            synchronized (this) { // 通过synchronized(this)获取“当前对象的同步锁”
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" wakup others");
                notify();    // 唤醒“当前对象上的等待线程”
            }
        }
    }
}

示例2：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionTest1 {

    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    private static Condition condition = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) {

        ThreadA ta = new ThreadA("ta");

        lock.lock(); // 获取锁
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" start ta");
            ta.start();

            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" block");
            condition.await();    // 等待

            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" continue");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();    // 释放锁
        }
    }

    static class ThreadA extends Thread{

        public ThreadA(String name) {
            super(name);
        }

        public void run() {
            lock.lock();    // 获取锁
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" wakup others");
                condition.signal();    // 唤醒“condition所在锁上的其它线程”
            } finally {
                lock.unlock();    // 释放锁
            }
        }
    }
}
/*
main start ta
main block
ta wakup others
main continue
*/

通过“示例1”和“示例2”，我们知道Condition和Object的方法有一下对应关系：

              Object      Condition
休眠          wait        await
唤醒个线程     notify      signal
唤醒所有线程   notifyAll   signalAll

Condition除了支持上面的功能之外，它更强大的地方在于：能够更加精细的控制多线程的休眠与唤醒。对于同一个锁，我们可以创建多个Condition，在不同的情况下使用不同的Condition。

例如，假如多线程读/写同一个缓冲区：当向缓冲区中写入数据之后，唤醒”读线程”；当从缓冲区读出数据之后，唤醒”写线程”；并且当缓冲区满的时候，”写线程”需要等待；当缓冲区为空时，”读线程”需要等待。 如果采用Object类中的wait(), notify(), notifyAll()实现该缓冲区，当向缓冲区写入数据之后需要唤醒”读线程”时，不可能通过notify()或notifyAll()明确的指定唤醒”读线程”，而只能通过notifyAll唤醒所有线程(但是notifyAll无法区分唤醒的线程是读线程，还是写线程)。 但是，通过Condition，就能明确的指定唤醒读线程。

看看下面的示例3，可能对这个概念有更深刻的理解。

示例3

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

class BoundedBuffer {
    final Lock lock = new ReentrantLock();
    final Condition notFull  = lock.newCondition();
    final Condition notEmpty = lock.newCondition(); 

    final Object[] items = new Object[5];
    int putptr, takeptr, count;

    public void put(Object x) throws InterruptedException {
        lock.lock();    //获取锁
        try {
            // 如果“缓冲已满”，则等待；直到“缓冲”不是满的，才将x添加到缓冲中。
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            // 将x添加到缓冲中
            items[putptr] = x;
            // 将“put统计数putptr+1”；如果“缓冲已满”，则设putptr为0。
            if (++putptr == items.length) putptr = 0;
            // 将“缓冲”数量+1
            ++count;
            // 唤醒take线程，因为take线程通过notEmpty.await()等待
            notEmpty.signal();

            // 打印写入的数据
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put  "+ (Integer)x);
        } finally {
            lock.unlock();    // 释放锁
        }
    }

    public Object take() throws InterruptedException {
        lock.lock();    //获取锁
        try {
            // 如果“缓冲为空”，则等待；直到“缓冲”不为空，才将x从缓冲中取出。
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            // 将x从缓冲中取出
            Object x = items[takeptr];
            // 将“take统计数takeptr+1”；如果“缓冲为空”，则设takeptr为0。
            if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
            // 将“缓冲”数量-1
            --count;
            // 唤醒put线程，因为put线程通过notFull.await()等待
            notFull.signal();

            // 打印取出的数据
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " take "+ (Integer)x);
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();    // 释放锁
        }
    }
}

public class ConditionTest2 {
    private static BoundedBuffer bb = new BoundedBuffer();

    public static void main(String[] args) {
        // 启动10个“写线程”，向BoundedBuffer中不断的写数据(写入0-9)；
        // 启动10个“读线程”，从BoundedBuffer中不断的读数据。
        for (int i=0; i<10; i++) {
            new PutThread("p"+i, i).start();
            new TakeThread("t"+i).start();
        }
    }

    static class PutThread extends Thread {
        private int num;
        public PutThread(String name, int num) {
            super(name);
            this.num = num;
        }
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1);    // 线程休眠1ms
                bb.put(num);        // 向BoundedBuffer中写入数据
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
    }

    static class TakeThread extends Thread {
        public TakeThread(String name) {
            super(name);
        }
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(10);                    // 线程休眠1ms
                Integer num = (Integer)bb.take();    // 从BoundedBuffer中取出数据
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
    }
}
/*
p1 put  1
p4 put  4
p5 put  5
p0 put  0
p2 put  2
t0 take 1
p3 put  3
t1 take 4
p6 put  6
t2 take 5
p7 put  7
t3 take 0
p8 put  8
t4 take 2
p9 put  9
t5 take 3
t6 take 6
t7 take 7
t8 take 8
t9 take 9
*/

结果说明：

(01) BoundedBuffer 是容量为5的缓冲，缓冲中存储的是Object对象，支持多线程的读/写缓冲。多个线程操作“一个BoundedBuffer对象”时，它们通过互斥锁lock对缓冲区items进行互斥访问；而且同一个BoundedBuffer对象下的全部线程共用“notFull”和“notEmpty”这两个Condition。

notFull用于控制写缓冲，notEmpty用于控制读缓冲。当缓冲已满的时候，调用put的线程会执行notFull.await()进行等待；当缓冲区不是满的状态时，就将对象添加到缓冲区并将缓冲区的容量count+1，最后，调用notEmpty.signal()缓冲notEmpty上的等待线程(调用notEmpty.await的线程)。 简言之，notFull控制“缓冲区的写入”，当往缓冲区写入数据之后会唤醒notEmpty上的等待线程。

同理，notEmpty控制“缓冲区的读取”，当读取了缓冲区数据之后会唤醒notFull上的等待线程。

(02) 在ConditionTest2的main函数中，启动10个“写线程”，向BoundedBuffer中不断的写数据(写入0-9)；同时，也启动10个“读线程”，从BoundedBuffer中不断的读数据。

(03) 简单分析一下运行结果。

     1, p1线程向缓冲中写入1。    此时，缓冲区数据:   | 1 |   |   |   |   |
     2, p4线程向缓冲中写入4。    此时，缓冲区数据:   | 1 | 4 |   |   |   |
     3, p5线程向缓冲中写入5。    此时，缓冲区数据:   | 1 | 4 | 5 |   |   |
     4, p0线程向缓冲中写入0。    此时，缓冲区数据:   | 1 | 4 | 5 | 0 |   |
     5, p2线程向缓冲中写入2。    此时，缓冲区数据:   | 1 | 4 | 5 | 0 | 2 |
     此时，缓冲区容量为5；缓冲区已满！如果此时，还有“写线程”想往缓冲中写入数据，会调用put中的notFull.await()等待，直接缓冲区非满状态，才能继续运行。
     6, t0线程从缓冲中取出数据1。此时，缓冲区数据:   |   | 4 | 5 | 0 | 2 |
     7, p3线程向缓冲中写入3。    此时，缓冲区数据:   | 3 | 4 | 5 | 0 | 2 |
     8, t1线程从缓冲中取出数据4。此时，缓冲区数据:   | 3 |   | 5 | 0 | 2 |
     9, p6线程向缓冲中写入6。    此时，缓冲区数据:   | 3 | 6 | 5 | 0 | 2 |
     ...

LockSupport

概述

LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。

LockSupport中的park() 和 unpark() 的作用分别是阻塞线程和解除阻塞线程，而且park()和unpark()不会遇到“Thread.suspend 和 Thread.resume所可能引发的死锁”问题。

因为park() 和 unpark()有许可的存在；调用 park() 的线程和另一个试图将其 unpark() 的线程之间的竞争将保持活性。

代码示例

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class LockSupportTest1 {

    private static Thread mainThread;

    public static void main(String[] args) {

        ThreadA ta = new ThreadA("ta");
        // 获取主线程
        mainThread = Thread.currentThread();

        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" start ta");
        ta.start();

        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" block");
        // 主线程阻塞
        LockSupport.park(mainThread);

        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" continue");
    }

    static class ThreadA extends Thread{

        public ThreadA(String name) {
            super(name);
        }

        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" wakup others");
            // 唤醒“主线程”
            LockSupport.unpark(mainThread);
        }
    }
}
/*
main start ta
main block
ta wakup others
main continue
*/

说明：park和wait的区别。wait让线程阻塞前，必须通过synchronized获取同步锁。

共享锁ReadWriteLock

概述

Java的JUC(java.util.concurrent)包中的锁包括”独占锁”和”共享锁”。在“Java多线程系列–“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock ”中，对Java的独占锁进行了说明。本章对Java的“共享锁”进行介绍，JUC中的共享锁有CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore, ReentrantReadWriteLock等；本章会以ReentrantReadWriteLock为蓝本对共享锁进行说明。

ReadWriteLock，顾名思义，是读写锁。它维护了一对相关的锁 — — “读取锁”和“写入锁”，一个用于读取操作，另一个用于写入操作。

“读取锁”用于只读操作，它是“共享锁”，能同时被多个线程获取。

“写入锁”用于写入操作，它是“独占锁”，写入锁只能被一个线程锁获取。

注意：不能同时存在读取锁和写入锁！

ReadWriteLock是一个接口。ReentrantReadWriteLock是它的实现类，ReentrantReadWriteLock包括子类ReadLock和WriteLock。

ReadWriteLock函数列表

// 返回用于读取操作的锁。
Lock readLock()
// 返回用于写入操作的锁。
Lock writeLock()

公平共享锁和非公平共享锁

和互斥锁ReentrantLock一样，ReadLock也分为公平锁和非公平锁。

公平锁和非公平锁的区别，体现在判断是否需要阻塞的函数readerShouldBlock()是不同的。

公平锁的readerShouldBlock()的源码如下：

final boolean readerShouldBlock() {
    return hasQueuedPredecessors();
}

在公平共享锁中，如果在当前线程的前面有其他线程在等待获取共享锁，则返回true；否则，返回false。

非公平锁的readerShouldBlock()的源码

final boolean readerShouldBlock() {
    return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}

平共享锁中，它会无视当前线程的前面是否有其他线程在等待获取共享锁。只要该非公平共享锁对应的线程不为null，则返回true。

代码示例

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock; 

public class ReadWriteLockTest1 { 

    public static void main(String[] args) {
        // 创建账户
        MyCount myCount = new MyCount("4238920615242830", 10000);
        // 创建用户，并指定账户
        User user = new User("Tommy", myCount); 

        // 分别启动3个“读取账户金钱”的线程 和 3个“设置账户金钱”的线程
        for (int i=0; i<3; i++) {
            user.getCash();
            user.setCash((i+1)*1000);
        }
    }
} 

class User {
    private String name;            //用户名
    private MyCount myCount;        //所要操作的账户
    private ReadWriteLock myLock;   //执行操作所需的锁对象 

    User(String name, MyCount myCount) {
        this.name = name;
        this.myCount = myCount;
        this.myLock = new ReentrantReadWriteLock();
    }

    public void getCash() {
        new Thread() {
            public void run() {
                myLock.readLock().lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash start");
                    myCount.getCash();
                    Thread.sleep(1);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash end");
                } catch (InterruptedException e) {
                } finally {
                    myLock.readLock().unlock();
                }
            }
        }.start();
    }

    public void setCash(final int cash) {
        new Thread() {
            public void run() {
                myLock.writeLock().lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash start");
                    myCount.setCash(cash);
                    Thread.sleep(1);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash end");
                } catch (InterruptedException e) {
                } finally {
                    myLock.writeLock().unlock();
                }
            }
        }.start();
    }
}

class MyCount {
    private String id;         //账号
    private int    cash;       //账户余额 

    MyCount(String id, int cash) {
        this.id = id;
        this.cash = cash;
    } 

    public String getId() {
        return id;
    } 

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    } 

    public int getCash() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash cash="+ cash);
        return cash;
    } 

    public void setCash(int cash) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash cash="+ cash);
        this.cash = cash;
    }
}
/*
Thread-0 getCash start
Thread-2 getCash start
Thread-0 getCash cash=10000
Thread-2 getCash cash=10000
Thread-0 getCash end
Thread-2 getCash end
Thread-1 setCash start
Thread-1 setCash cash=1000
Thread-1 setCash end
Thread-3 setCash start
Thread-3 setCash cash=2000
Thread-3 setCash end
Thread-4 getCash start
Thread-4 getCash cash=2000
Thread-4 getCash end
Thread-5 setCash start
Thread-5 setCash cash=3000
Thread-5 setCash end
*/

结果说明：

(01) 观察Thread0和Thread-2的运行结果，我们发现，Thread-0启动并获取到“读取锁”，在它还没运行完毕的时候，Thread-2也启动了并且也成功获取到“读取锁”。

因此，“读取锁”支持被多个线程同时获取。

(02) 观察Thread-1,Thread-3,Thread-5这三个“写入锁”的线程。只要“写入锁”被某线程获取，则该线程运行完毕了，才释放该锁。

因此，“写入锁”不支持被多个线程同时获取。

障碍器CyclicBarrier

概述

Java5中，添加了障碍器类，为了适应一种新的设计需求，比如一个大型的任务，常常需要分配好多子任务去执行，只有当所有子任务都执行完成时候，才能执行主任务，这时候，就可以选择障碍器了。

CyclicBarrier是一个同步辅助类，允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier。

注意比较CountDownLatch和CyclicBarrier：

(01) CountDownLatch的作用是允许1或N个线程等待其他线程完成执行；而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待。

(02) CountDownLatch的计数器无法被重置；CyclicBarrier的计数器可以被重置后使用，因此它被称为是循环的barrier。

CyclicBarrier函数列表

CyclicBarrier(int parties)
创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，但它不会在启动 barrier 时执行预定义的操作。
CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，并在启动 barrier 时执行给定的屏障操作，该操作由最后一个进入 barrier 的线程执行。

int await()
在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前，将一直等待。
int await(long timeout, TimeUnit unit)
在所有参与者都已经在此屏障上调用 await 方法之前将一直等待,或者超出了指定的等待时间。
int getNumberWaiting()
返回当前在屏障处等待的参与者数目。
int getParties()
返回要求启动此 barrier 的参与者数目。
boolean isBroken()
查询此屏障是否处于损坏状态。
void reset()
将屏障重置为其初始状态。

构造函数

CyclicBarrier的构造函数共2个：CyclicBarrier 和 CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)。第1个构造函数是调用第2个构造函数来实现的，下面第2个构造函数的源码。

    public CyclicBarrier(int parties) {
        this(parties, null);
    }

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    // parties表示“必须同时到达barrier的线程个数”。
    this.parties = parties;
    // count表示“处在等待状态的线程个数”。
    this.count = parties;
    // barrierCommand表示“parties个线程到达barrier时，会执行的动作”。
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

障碍器是多线程并发控制的一种手段，用法很简单。下面给个例子：

代码示例

示例1

新建5个线程，这5个线程达到一定的条件时，它们才继续往后运行。

iimport java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;

public class CyclicBarrierTest1 {

    private static int SIZE = 5;
    private static CyclicBarrier cb;
    public static void main(String[] args) {

        cb = new CyclicBarrier(SIZE);

        // 新建5个任务
        for(int i=0; i<SIZE; i++)
            new InnerThread().start();
    }

    static class InnerThread extends Thread{
        public void run() {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for CyclicBarrier.");

                // 将cb的参与者数量加1
                cb.await();

                // cb的参与者数量等于5时，才继续往后执行
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continued.");
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
/*
Thread-1 wait for CyclicBarrier.
Thread-2 wait for CyclicBarrier.
Thread-3 wait for CyclicBarrier.
Thread-4 wait for CyclicBarrier.
Thread-0 wait for CyclicBarrier.
Thread-0 continued.
Thread-4 continued.
Thread-2 continued.
Thread-3 continued.
Thread-1 continued.
*/

示例2

新建5个线程，当这5个线程达到一定的条件时，执行某项任务。

package java_interview;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.NavigableMap;
import java.util.Random;
import java.util.Scanner;
import java.util.TreeMap;
import java.util.TreeSet;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test {
    private static int SIZE = 5;
    private static CyclicBarrier cb;
    public static void main(String[] args) {

        cb = new CyclicBarrier(SIZE, new InnerMainTask());

        // 新建5个任务
        for(int i=0; i<SIZE; i++)
            new InnerSubTask().start();
    }

    static class InnerMainTask implements Runnable {
        public void run() {
            System.out.println("CyclicBarrier‘s parties is: "+ cb.getParties());
        }
    } 

   static class InnerSubTask  extends Thread{
        public void run() {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for CyclicBarrier.");

                // 将cb的参与者数量加1
                cb.await();

                // cb的参与者数量等于5时，才继续往后执行
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continued.");
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
/*
Thread-1 wait for CyclicBarrier.
Thread-3 wait for CyclicBarrier.
Thread-0 wait for CyclicBarrier.
Thread-4 wait for CyclicBarrier.
Thread-2 wait for CyclicBarrier.
CyclicBarrier‘s parties is: 5
Thread-3 continued.
Thread-0 continued.
Thread-1 continued.
Thread-2 continued.
Thread-4 continued.
*/

CountDownLatch

概述

CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

CountDownLatch是一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。

CountDownLatch函数列表

CountDownLatch(int count)
构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch。

// 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断。
void await()
// 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。
boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
// 递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。
void countDown()
// 返回当前计数。
long getCount()
// 返回标识此锁存器及其状态的字符串。
String toString()

构造函数

CountDownLatch类只提供了一个构造器：

public CountDownLatch(int count) {  };  //参数count为计数值

　然后下面这3个方法是CountDownLatch类中最重要的方法：

public void await() throws InterruptedException { };   //调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //和await()类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
public void countDown() { };  //将count值减1

**原理：**CountDownLatch是通过“共享锁”实现的。在创建CountDownLatch中时，会传递一个int类型参数count，该参数是“锁计数器”的初始状态，表示该“共享锁”最多能被count给线程同时获取。当某线程调用该CountDownLatch对象的await()方法时，该线程会等待“共享锁”可用时，才能获取“共享锁”进而继续运行。而“共享锁”可用的条件，就是“锁计数器”的值为0！而“锁计数器”的初始值为count，每当一个线程调用该CountDownLatch对象的countDown()方法时，才将“锁计数器”-1；通过这种方式，必须有count个线程调用countDown()之后，“锁计数器”才为0，而前面提到的等待线程才能继续运行！

代码示例

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CountDownLatchTest1 {

    private static int LATCH_SIZE = 5;
    private static CountDownLatch doneSignal;
    public static void main(String[] args) {

        try {
            doneSignal = new CountDownLatch(LATCH_SIZE);

            // 新建5个任务
            for(int i=0; i<LATCH_SIZE; i++)
                new InnerThread().start();

            System.out.println("main await begin.");
            // "主线程"等待线程池中5个任务的完成
            doneSignal.await();

            System.out.println("main await finished.");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class InnerThread extends Thread{
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 1000ms.");
                // 将CountDownLatch的数值减1
                doneSignal.countDown();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
/*
main await begin.
Thread-0 sleep 1000ms.
Thread-2 sleep 1000ms.
Thread-1 sleep 1000ms.
Thread-4 sleep 1000ms.
Thread-3 sleep 1000ms.
main await finished.
*/

总结

下面对上面说的三个辅助类进行一个总结：

1）CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同：

CountDownLatch一般用于某个线程A等待若干个其他线程执行完任务之后，它才执行；

而CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行；

CountDownLatch是在主线程中调用await()方法，是主线程等待(只有主线程等待)，其他线程调用countDown（）方法，当count计数值为0时，主线程就会继续运行。而CyclicBarrier是在其他线程中调用await()方法，让其等待(即其他线程均会等待)，直到等待的线程数达到设定值，主线程才开始运行，其他线程则都再继续运行。

另外，CountDownLatch是不能够重用的(count减到0就结束了)，而CyclicBarrier是可以重用的（通过reset()方法重置）。

2）Semaphore其实和锁有点类似，它一般用于控制对某组资源的访问权限。

信号量Semaphore

概述

Semaphore是一个计数信号量，它的本质是一个”共享锁”。

信号量维护了一个信号量许可集。线程可以通过调用acquire()来获取信号量的许可；当信号量中有可用的许可时，线程能获取该许可；否则线程必须等待，直到有可用的许可为止。 线程可以通过release()来释放它所持有的信号量许可。

Semaphore的函数列表

// 创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。
Semaphore(int permits)
// 创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。
Semaphore(int permits, boolean fair)

// 从此信号量获取一个许可，在提供一个许可前一直将线程阻塞，否则线程被中断。
void acquire()
// 从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞，或者线程已被中断。
void acquire(int permits)
// 从此信号量中获取许可，在有可用的许可前将其阻塞。
void acquireUninterruptibly()
// 从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞。
void acquireUninterruptibly(int permits)
// 返回此信号量中当前可用的许可数。
int availablePermits()
// 获取并返回立即可用的所有许可。
int drainPermits()
// 返回一个 collection，包含可能等待获取的线程。
protected Collection<Thread> getQueuedThreads()
// 返回正在等待获取的线程的估计数目。
int getQueueLength()
// 查询是否有线程正在等待获取。
boolean hasQueuedThreads()
// 如果此信号量的公平设置为 true，则返回 true。
boolean isFair()
// 根据指定的缩减量减小可用许可的数目。
protected void reducePermits(int reduction)
// 释放一个许可，将其返回给信号量。
void release()
// 释放给定数目的许可，将其返回到信号量。
void release(int permits)
// 返回标识此信号量的字符串，以及信号量的状态。
String toString()
// 仅在调用时此信号量存在一个可用许可，才从信号量获取许可。
boolean tryAcquire()
// 仅在调用时此信号量中有给定数目的许可时，才从此信号量中获取这些许可。
boolean tryAcquire(int permits)
// 如果在给定的等待时间内此信号量有可用的所有许可，并且当前线程未被中断，则从此信号量获取给定数目的许可。
boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
// 如果在给定的等待时间内，此信号量有可用的许可并且当前线程未被中断，则从此信号量获取一个许可。
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

构造函数

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

从中，我们可以信号量分为“公平信号量(FairSync)”和“非公平信号量(NonfairSync)”。Semaphore(int permits)函数会默认创建“非公平信号量”。

代码示例

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore; 

public class SemaphoreTest1 {
    private static final int SEM_MAX = 10;
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore sem = new Semaphore(SEM_MAX);
        //创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        //在线程池中执行任务
        threadPool.execute(new MyThread(sem, 5));
        threadPool.execute(new MyThread(sem, 4));
        threadPool.execute(new MyThread(sem, 7));
        //关闭池
        threadPool.shutdown();
    }
}

class MyThread extends Thread {
    private volatile Semaphore sem;    // 信号量
    private int count;        // 申请信号量的大小 

    MyThread(Semaphore sem, int count) {
        this.sem = sem;
        this.count = count;
    }

    public void run() {
        try {
            // 从信号量中获取count个许可
            sem.acquire(count);

            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire count="+count);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 释放给定数目的许可，将其返回到信号量。
            sem.release(count);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release " + count + "");
        }
    }
}
/*
pool-1-thread-1 acquire count=5
pool-1-thread-2 acquire count=4
pool-1-thread-1 release 5
pool-1-thread-2 release 4
pool-1-thread-3 acquire count=7
pool-1-thread-3 release 7
*/

参考原文：

http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/java_threads_category.html