高级同步工具解析

1 引言

在现代多核处理器和分布式系统中，高效的并发编程是提升应用程序性能的关键。高级同步工具如 Condition 变量、CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、Exchanger 和 Semaphore 提供了强大的机制来协调线程间的协作和资源访问。本文将深入探讨这些工具的工作原理、应用场景及其优化策略，帮助您构建高效且可靠的并发系统。

2 Condition 变量与信号量

2.1 Condition 变量

Condition 变量提供了比内置锁更灵活的线程等待/通知机制，适用于复杂的线程间通信场景。

示例：生产者-消费者模式

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

public class ProducerConsumer {
   
    private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    private final int capacity = 5;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public void produce(int value) throws InterruptedException {
   
        lock.lock();
        try {
   
            while (queue.size() == capacity) {
   
                notFull.await(); // Wait if the queue is full
            }
            queue.offer(value);
            System.out.println("Produced: " + value);
            notEmpty.signal(); // Notify consumer
        } finally {
   
            lock.unlock();
        }
    }

    public int consume() throws InterruptedException {
   
        lock.lock();
        try {
   
            while (queue.isEmpty()) {
   
                notEmpty.await(); // Wait if the queue is empty
            }
            int value = queue.poll();
            System.out.println("Consumed: " + value);
            notFull.signal(); // Notify producer
            return value;
        } finally {
   
            lock.unlock();
        }
    }
}

解释：

• Condition 对象允许线程在特定条件下等待，并在条件满足时被唤醒。
• 生产者和消费者通过 notFull 和 notEmpty 条件变量进行协作，确保队列不会溢出或为空。

2.2 Semaphore（信号量）

Semaphore 提供了一种许可机制，用于控制对有限资源的访问。

示例：限制数据库连接池

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class DatabaseConnectionPool {
   
    private