线程协作机制

Java中多个线程之间如果需要协同工作，需要下面工具进行协同。我们分别来介绍下每个工具的作用和使用注意点。

读写锁ReentrantReadWriteLock

多个线程的读操作完全可以并行，在读多写少的场景中，让读操作并行可以明显提高性能，此时我们可以使用读写锁。

在Java并发包中，接口ReadWriteLock表示读写锁：

public interface ReadWriteLock {
  Lock readLock();
  Lock writeLock();
}

写锁：只有一个线程可以进行写操作：

• 在获取写锁时，只有没有任何线程持有任何锁才可以获取到；
• 在持有写锁时，其他任何线程都获取不到任何锁。

读锁：在没有其他线程持有写锁的情况下，多个线程可以获取和持有读锁。

即：只有“读-读”操作是可以并行的，“读-写” 和 “写-写” 都不可以。

ReentrantReadWriteLock是主要实现类，可重入读写锁。实现原理：

使用同一个整数变量表示锁的状态，16位给读锁用，16位给写锁用，使用一个变量便于进行CAS操作。

锁的等待队列也只有一个。

写锁的获取：确保当前没有其他线程持有任何锁，否则就等待。

写锁释放后：将等待队列中的第一个线程唤醒，唤醒的可能是等待读锁的，也可能是等待写锁的。

读锁的获取：首先，只要写锁没有被持有，就可以获取到读锁；此外，在获取到读锁后，它会检查等待队列，逐个唤醒最前面的等待读锁的线程，直到第一个等待写锁的线程。如果有其他线程持有写锁，获取读锁会等待。

读锁释放后：检查读锁和写锁数是否都变为了0，如果是，唤醒等待队列中的下一个线程。

信号量Semaphore

有的单个资源即使可以被并发访问，但并发访问数多了可能影响性能，所以希望限制并发访问的线程数。信号量类Semaphore就是用来解决这类问题的，它可以限制对资源的并发访问数：

public Semaphore(int permits)
public Semaphore(int permits, boolean fair)

permits表示许可数量，fire表示公平。主要方法：

//阻塞获取许可
public void acquire() throws InterruptedException
//阻塞获取许可，不响应中断
public void acquireUninterruptibly()
//批量获取多个许可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException
public void acquireUninterruptibly(int permits)

//尝试获取
public boolean tryAcquire()
//限定等待时间获取
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException

//释放许可
public void release()

信号量与锁的区别：

• 一般锁只能由持有锁的线程释放，而Semaphore表示的只是一个许可数，任意线程都可以调用其release方法；
• 主要的锁实现类ReentrantLock是可重入的，而Semaphore不是，每一次的acquire调用都会消耗一个许可。

实现原理：信号量的基本原理比较简单，也是基于AQS实现的，permits表示共享的锁个数，acquire方法就是检查锁个数是否大于0，大于则减一，获取成功，否则就等待，release就是将锁个数加一，唤醒第一个等待的线程。

倒计时门栓CountDownLatch

CountDownLatch相当于是一个门栓，一开始是关闭的，所有希望通过该门的线程都需要等待，然后开始倒计时，倒计时变为0后，门栓打开，等待的所有线程都可以通过，它是一次性的，打开后就不能再关上了。

public CountDownLatch(int count)

public void await() throws InterruptedException
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
public void countDown()

await检查计数是否为0，如果大于0，就等待，await可以被中断，也可以设置最长等待时间。

countDown检查计数，如果已经为0，直接返回，否则减少计数，如果新的计数变为0，则唤醒所有等待的线程。

门栓的两种应用场景：一种是同时开始，另一种是主从协作。

循环栅栏CyclicBarrier

CyclicBarrier相当于是一个栅栏，所有线程在到达该栅栏后都需要等待其他线程，等所有线程都到达后再一起通过，它是循环的，可以用作重复的同步。

CyclicBarrier特别适用于并行迭代计算，每个线程负责一部分计算，然后在栅栏处等待其他线程完成，所有线程到齐后，交换数据和计算结果，再进行下一次迭代。

public CyclicBarrier(int parties)
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)

parties表示参与的线程个数；

Runnable表示栅栏动作，当所有线程到达栅栏后，在所有线程执行下一步动作前，运行参数中的动作，这个动作由最后一个到达栅栏的线程执行。

CyclicBarrier主要的方法就是await：

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException
public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException,
	BrokenBarrierException, TimeoutException

await在等待其他线程到达栅栏。

调用await后，表示自己已经到达。

如果自己是最后一个到达的，就执行可选的命令，执行后，唤醒所有等待的线程，然后重置内部的同步计数，以循环使用。

await可以被中断，可以限定最长等待时间，中断或超时后会抛出异常。

异常BrokenBarrierException表示栅栏被破坏了：

• 在CyclicBarrier中，参与的线程是互相影响的，只要其中一个线程在调用await时被中断了，或者超时了，栅栏就会被破坏。
• 如果栅栏动作抛出了异常，栅栏也会被破坏。被破坏后，所有在调用await的线程就会退出，抛出BrokenBarrierException。

CyclicBarrier与CountDownLatch的区别：

1. 线程角色
1. CountDownLatch的参与线程是有不同角色的，有的负责倒计时，有的在等待倒计时变为0，负责倒计时和等待倒计时的线程都可以有多个，用于不同角色线程间的同步。
2. CyclicBarrier的参与线程角色是一样的，用于同一角色线程间的协调一致。
2. CountDownLatch是一次性的，而CyclicBarrier是可以重复利用的。

ThreadLocal

线程本地变量：每个线程都有同一个变量的独有拷贝。

ThreadLocal是一个泛型类，接受一个类型参数T，它只有一个空的构造方法，主要函数：

public T get()
public void set(T value)

protected T initialValue()
public void remove()

set就是设置值，get就是获取值，如果没有值，返回null。

initialValue用于提供初始值，这是一个受保护方法，可以通过匿名内部类的方式提供，当调用get方法时，如果之前没有设置过，会调用该方法获取初始值，默认实现是返回null。

remove删掉当前线程对应的值，如果删掉后，再次调用get，会再调用initialValue获取初始值。

ThreadLocal对象一般都定义为static，以便于引用。

基本原理：每个线程都有一个Map，类型为ThreadLocalMap，调用set实际上是在线程自己的Map里设置了一个条目，键为当前的ThreadLocal对象，值为value。ThreadLocalMap是一个内部类，它是专门用于ThreadLocal的，与一般的Map不同，它的键类型为WeakReference<ThreadLocal>。