Java中较为高级的线程同步方法总结！

1.Semaphore

1.1二进制Semaphore

Semaphore算是比较高级点的线程同步工具了，在许多其他语言里也有类似的实现。Semaphore有一个最大的好处就是在初始化时，可以显式的控制并发数。其内部维护这一个c计数器，当计数器小于等于0时，是不允许其他线程访问并发区域的，反之则可以，因此，若将并发数设置为1，则可以确保单一线程同步。下面的例子模拟多线程打印，每个线程提交打印申请，然后执行打印，最后宣布打印结束，代码如下：

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class Program{
public static void main(String[] agrs){
PrintQueue p=new PrintQueue();
Thread[] ths=new Thread[10];
for(int i=0;i<10;i++){
ths[i]=new Thread(new Job(p),"Thread"+i);
}
for(int i=0;i<10;i++){
ths[i].start();
}

}
}

class PrintQueue{
private Semaphore s;
public PrintQueue(){
s=new Semaphore(1);//二进制信号量
}
public void printJob(Object document){
try{
s.acquire();
long duration=(long)(Math.random()*100);
System.out.printf("线程名：%s 睡眠：%d",Thread.currentThread().getName(),duration);
Thread.sleep(duration);
}
catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
finally{
s.release();
}
}
}

class Job implements Runnable{
private PrintQueue p;
public Job(PrintQueue p){
this.p=p;
}
@Override
public void run(){
System.out.printf("%s:正在打印一个任务\n ",Thread.currentThread().getName());
this.p.printJob(new Object());
System.out.printf("%s:文件已打印完毕\n ",Thread.currentThread().getName());

}
}

执行结果如下：

Thread0:正在打印一个任务

Thread9:正在打印一个任务

Thread8:正在打印一个任务

Thread7:正在打印一个任务

Thread6:正在打印一个任务

Thread5:正在打印一个任务

Thread4:正在打印一个任务

Thread3:正在打印一个任务

Thread2:正在打印一个任务

Thread1:正在打印一个任务

线程名：Thread0 睡眠：32 Thread0:文件已打印完毕

线程名：Thread9 睡眠：44 Thread9:文件已打印完毕

线程名：Thread8 睡眠：45 Thread8:文件已打印完毕

线程名：Thread7 睡眠：65 Thread7:文件已打印完毕

线程名：Thread6 睡眠：12 Thread6:文件已打印完毕

线程名：Thread5 睡眠：72 Thread5:文件已打印完毕

线程名：Thread4 睡眠：98 Thread4:文件已打印完毕

线程名：Thread3 睡眠：58 Thread3:文件已打印完毕

线程名：Thread2 睡眠：24 Thread2:文件已打印完毕

线程名：Thread1 睡眠：93 Thread1:文件已打印完毕

可以看到，所有线程提交打印申请后，按照并发顺序一次执行，没有任何并发冲突，谁先获得信号量，谁就先执行，其他剩余线程均等待。这里面还有一个公平信号与非公平信号之说：基本上java所有的多线程工具都支持初始化的时候指定一个布尔变量，true时表明公平，即所有处于等待的线程被筛选的条件为“谁等的时间长就选谁进行执行”，有点first in first out的感觉，而false时则表明不公平（默认是不non-fairness），即所有处于等待的线程被筛选执行是随机的。这也就是为什么多线程往往执行顺序比较混乱的原因。

1.2多重并发控制

若将上面的代码改为s=new Semaphore(3);//即让其每次可以并发3条线程，则输出如下：

Thread0:正在打印一个任务

Thread9:正在打印一个任务

Thread8:正在打印一个任务

Thread7:正在打印一个任务

Thread6:正在打印一个任务

Thread5:正在打印一个任务

Thread3:正在打印一个任务

Thread4:正在打印一个任务

Thread2:正在打印一个任务

Thread1:正在打印一个任务

线程名：Thread9 睡眠：26线程名：Thread8 睡眠：46线程名：Thread0 睡眠：79 Thread9:文件已打印完毕

线程名：Thread7 睡眠：35 Thread8:文件已打印完毕

线程名：Thread6 睡眠：90 Thread7:文件已打印完毕

线程名：Thread5 睡眠：40 Thread0:文件已打印完毕

线程名：Thread3 睡眠：84 Thread5:文件已打印完毕

线程名：Thread4 睡眠：13 Thread4:文件已打印完毕

线程名：Thread2 睡眠：77 Thread6:文件已打印完毕

线程名：Thread1 睡眠：12 Thread1:文件已打印完毕

Thread3:文件已打印完毕

Thread2:文件已打印完毕

很明显已经并发冲突了。若要实现分组（每组3个）并发吗，则每一组也要进行同步，代码修改如下：

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Program{
public static void main(String[] agrs){
PrintQueue p=new PrintQueue();
Thread[] ths=new Thread[10];
for(int i=0;i<10;i++){
ths[i]=new Thread(new Job(p),"Thread"+i);
}
for(int i=0;i<10;i++){
ths[i].start();
}

}
}

class PrintQueue{
private Semaphore s;
private boolean[] freePrinters;
private Lock lock;

public PrintQueue(){
s=new Semaphore(3);//二进制信号量
freePrinters=new boolean[3];
for(int i=0;i<3;i++){
freePrinters[i]=true;
}
lock=new ReentrantLock();
}
public void printJob(Object document){
try{
s.acquire();
int printerIndex=getIndex();
long duration=(long)(Math.random()*100);
System.out.printf("线程名：%s 睡眠：%d\n",Thread.currentThread().getName(),duration);
Thread.sleep(duration);
freePrinters[printerIndex]=true;//恢复信号，供下次使用

}
catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
finally{
s.release();
}
}
//返回一个内部分组后的同步索引
public int getIndex(){
int index=-1;
try{
lock.lock();
for(int i=0;i<freePrinters.length;i++){
if(freePrinters[i]){
freePrinters[i]=false;
index=i;
break;
}
}
}
catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}
finally{
lock.unlock();
}
return index;
}

}

class Job implements Runnable{
private PrintQueue p;
public Job(PrintQueue p){
this.p=p;
}
@Override
public void run(){
System.out.printf("%s:正在打印一个任务\n ",Thread.currentThread().getName());
this.p.printJob(new Object());
System.out.printf("  %s:文件已打印完毕\n ",Thread.currentThread().getName());

}
}

其中getIndex()方法主要为了维护内部分组后（支持并发3个）组内数据的同步（用lock来同步）。

输出如下：

Thread0:正在打印一个任务

Thread9:正在打印一个任务

Thread8:正在打印一个任务

Thread7:正在打印一个任务

Thread6:正在打印一个任务

Thread5:正在打印一个任务

Thread4:正在打印一个任务

Thread3:正在打印一个任务

Thread2:正在打印一个任务

Thread1:正在打印一个任务

线程名：Thread0 睡眠：82 打印机：0号

线程名：Thread8 睡眠：61 打印机：2号

线程名：Thread9 睡眠：19 打印机：1号

Thread9:文件已打印完毕

线程名：Thread7 睡眠：82 打印机：1号

Thread8:文件已打印完毕

线程名：Thread6 睡眠：26 打印机：2号

Thread0:文件已打印完毕

线程名：Thread5 睡眠：31 打印机：0号

Thread6:文件已打印完毕

线程名：Thread4 睡眠：44 打印机：2号

Thread7:文件已打印完毕

线程名：Thread3 睡眠：54 打印机：1号

Thread5:文件已打印完毕

线程名：Thread2 睡眠：48 打印机：0号

Thread4:文件已打印完毕

线程名：Thread1 睡眠：34 打印机：2号

Thread3:文件已打印完毕

Thread2:文件已打印完毕

Thread1:文件已打印完毕

2.CountDownLatch

CountDownLatch同样也是支持多任务并发的一个工具。它主要用于“等待多个并发事件”，它内部也有一个计数器，当调用await()方法时，线程处于等待状态，只有当内部计数器为0时才继续(countDown()方法来减少计数)，也就说，假若有一个需求是这样的：主线程等待所有子线程都到达某一条件时才执行，那么只需要主线程await，然后在启动每个子线程的时候进行countDown操作。下面模拟了一个开会的例子，只有当所有人员都到齐了，会议才能开始。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class Program{
public static void main(String[] agrs){
//开启可容纳10人的会议室
VideoConference v=new VideoConference(10);
new Thread(v).start();
//参与人员陆续进场
for(int i=0;i<10;i++){
Participant p=new Participant(i+"号人员",v);
new Thread(p).start();
}
}
}

class VideoConference implements Runnable{
private CountDownLatch controller;
public VideoConference(int num){
controller=new CountDownLatch(num);
}

public void arrive(String name){
System.out.printf("%s 已经到达！\n",name);
controller.countDown();
System.out.printf("还需要等 %d 个成员！\n",controller.getCount());
}

@Override
public void run(){
try{
System.out.printf("会议正在初始化...!\n");
controller.await();
System.out.printf("所有人都到齐了，开会吧!\n");
}
catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}

}
}

class Participant implements Runnable{
private VideoConference conference;
private String name;

public Participant(String name,VideoConference conference){
this.name=name;
this.conference=conference;
}

@Override
public void run(){
long duration=(long)(Math.random()*100);
try{
Thread.sleep(duration);
conference.arrive(this.name);
}
catch(InterruptedException e){

}

}
}

输出：

会议正在初始化...!

0号人员 已经到达！

还需要等 9 个成员！

1号人员 已经到达！

还需要等 8 个成员！

9号人员 已经到达！

还需要等 7 个成员！

4号人员 已经到达！

还需要等 6 个成员！

8号人员 已经到达！

还需要等 5 个成员！

5号人员 已经到达！

还需要等 4 个成员！

6号人员 已经到达！

还需要等 3 个成员！

3号人员 已经到达！

还需要等 2 个成员！

7号人员 已经到达！

还需要等 1 个成员！

2号人员 已经到达！

还需要等 0 个成员！

所有人都到齐了，开会吧!

3.Phaser

import java.util.concurrent.Phaser;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.List;
import java.util.ArrayList;
import java.io.File;
import java.util.Date;
public class Program{
public static void main(String[] agrs){
Phaser phaser=new Phaser(3);
FileSearch system=new FileSearch("C:\\Windows", "log",phaser);
FileSearch apps=new FileSearch("C:\\Program Files","log",phaser);
FileSearch documents=new FileSearch("C:\\Documents And Settings","log",phaser);
Thread systemThread=new Thread(system,"System");
systemThread.start();
Thread appsThread=new Thread(apps,"Apps");
appsThread.start();
Thread documentsThread=new Thread(documents, "Documents");
documentsThread.start();
try {
systemThread.join();
appsThread.join();
documentsThread.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Terminated: "+ phaser.isTerminated());
}
}

class FileSearch implements Runnable{
private String initPath;
private String end;
private List<String> results;
private Phaser phaser;

public FileSearch(String initPath,String end,Phaser phaser){
this.initPath=initPath;
this.end=end;
this.results=new ArrayList<String>();
this.phaser=phaser;
}

private void directoryProcess(File file){
File[] files=file.listFiles();
if(files!=null){
for(int i=0;i<files.length;i++){
if(files[i].isDirectory()){
directoryProcess(files[i]);
}
else{
fileProcess(files[i]);
}

}
}
}

private void fileProcess(File file){
if(file.getName().endsWith(end)){
results.add(file.getAbsolutePath());
}
}

private void filterResults(){
List<String> newResults=new ArrayList<String>();
long actualDate=new Date().getTime();
for(int i=0;i<results.size();i++){
File file=new File(results.get(i));
long fileDate=file.lastModified();
if(actualDate-fileDate<TimeUnit.MILLISECONDS.convert(1,TimeUnit.DAYS)){
newResults.add(results.get(i));
}
}
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();
}
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 (int i=0; i<results.size(); i++){
File file=new File(results.get(i));
System.out.printf("%s: %s\n",Thread.currentThread().getName(),file.getAbsolutePath());
}
phaser.arriveAndAwaitAdvance();
}

@Override
public void run(){
File file=new File(initPath);
if(file.isDirectory()){
directoryProcess(file);
}
if(!checkResults()){
return;
}
filterResults();

if(!checkResults()){
return;
}

showInfo();
phaser.arriveAndDeregister();
System.out.printf("%s: Work completed.\n",Thread.currentThread().getName());
}

}