Java并发编程-辅助类：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

发表于2018-10-16更新于2021-12-12阅读次数

CountDownLatch

CountDownLatch是一个非常实用的多线程控制工具类，该类位于java.util.concurrent包下。这个工具类通常用来控制线程等待，它可以让某一个线程等待直到倒计时结束，再开始执行。利用它可以实现类似倒计时器的功能。
对于倒计时器，一种典型的场景就是火箭发射。在火箭发射前，往往需要进行各项设备、仪器检查(该过程可以是并行的)。只有等所有的检查完毕后，引擎才能点火。这种场景就非常适用CountDownLatch。它可以使得点火线程等待所有检查线程全部完工后，再执行。
CountDownLatch类只提供了一个构造器

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

以下3个方法是CountDownLatch类中最重要的方法：

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public void await() throws InterruptedException { };   //d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

下面的示例，演示了CountDownLatch的使用

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public class CountDownLatchDemo implements Runnable {
	final static CountDownLatchDemo demo = new CountDownLatchDemo(); 
	final static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(6);
	@Override
	public void run() {
		try {
			Thread.sleep(new Random().nextInt(10)*1000);
			System.out.println("线程["+Thread.currentThread().getName()+"],check Complete!");
			latch.countDown(); //计数器减1
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}

	}
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(6);
		for(int i = 0 ; i < 6 ;i ++){
			executor.submit(demo);
		}
		latch.await(); //等待6个线程执行完毕
		System.out.println("start fire");
		executor.shutdown();
	}
}

执行结果：

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线程[pool-1-thread-5],check Complete!
线程[pool-1-thread-1],check Complete!
线程[pool-1-thread-3],check Complete!
线程[pool-1-thread-4],check Complete!
线程[pool-1-thread-2],check Complete!
线程[pool-1-thread-6],check Complete!
start fire

CyclicBarrier

CyclicBarrier是另外一种多线程并发控制实用工具。CyclicBarrier可以理解为循环栅栏。通过它可以让一组线程等待至某个状态之后全部同时执行。当所有线程执行完毕后，CyclicBarrier可以被重复使用。CyclicBarrier类位于java.util.concurrent包下，CyclicBarrier提供2个构造器：

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

参数parties指需要多少个线程或者任务在“栅栏外”等待的；参数barrierAction为当这些线程都达到某个状态时，会执行的动作。
然后CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法，它有2个重载版本：

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

第一个版本比较常用，用来挂起当前线程，直到所有线程都到达某个状态后，再同时执行后续任务；
第二个版本是让这些线程等待至一定的时间，如果还有线程没有到达某个状态，就直接让先到达的线程执行后续的任务。
下面的示例，演示了CyclicBarrier的使用:

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public class CyclicBarrierDemo {
	
	static class Writer extends Thread{
		private CyclicBarrier cyclicBarrier;
		public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
			this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
		}
		
		@Override
		public void run(){
			System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据");
			try {
				Thread.sleep(5000); //模拟写入数据操作
				System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据");
				cyclicBarrier.await();
			} catch (Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		int n = 4;
		CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(n, new Runnable() {
			
			@Override
			public void run() {
				System.out.println("所有线程都到达“栅栏外”");
				
			}
		});
		for(int i = 0 ; i < n ; i ++){
			new Writer(barrier).start();
		}
		
		try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
 
        System.out.println("CyclicBarrier重用");
        
        for(int i = 0 ; i < n ; i ++){
			new Writer(barrier).start();
		}
	}
}

执行结果：

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线程Thread-0正在写入数据
线程Thread-2正在写入数据
线程Thread-3正在写入数据
线程Thread-1正在写入数据
线程Thread-3写入数据
线程Thread-2写入数据
线程Thread-1写入数据
线程Thread-0写入数据
所有线程都到达“栅栏外”
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
CyclicBarrier重用
线程Thread-4正在写入数据
线程Thread-5正在写入数据
线程Thread-6正在写入数据
线程Thread-7正在写入数据
线程Thread-5写入数据
线程Thread-4写入数据
线程Thread-6写入数据
线程Thread-7写入数据
所有线程都到达“栅栏外”
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

Semaphore

Semaphore可以允许多个线程同时访问。相对内部锁synchronized还是重入锁ReetrantLock，一次都只允许一个线程访问一个资源，而信号量却可以指定多个线程，同时访问一个资源。Semaphore类位于java.util.concurrent包下，它提供了2个构造器：

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public Semaphore(int permits) {          //参数permits表示许可数目，即同时可以允许多少线程进行访问
    sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {    //这个多了一个参数fair表示是否是公平的，即等待时间越久的越先获取许可
    sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

Semaphore类中比较重要的几个方法:

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public void acquire() throws InterruptedException {  }     //获取一个许可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { }    //获取permits个许可
public void release() { }          //释放一个许可
public void release(int permits) { }    //释放permits个许可

acquire()用来获取一个许可，若无许可能够获得，则会一直等待，直到获得许可。
release()用来释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。
这4个方法都会被阻塞，如果想立即得到执行结果，可以使用下面几个方法：

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public boolean tryAcquire() { };    //尝试获取一个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //尝试获取一个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; //尝试获取permits个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //尝试获取permits个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false

另外还可以通过availablePermits()方法得到可用的许可数目。
下面的示例，演示了Semaphore的使用:

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public class SemaphoreDemo implements Runnable {
	
	final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
	
	@Override
	public void run() {
		try {
			System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"，申请资源");
			semaphore.acquire();
			Thread.sleep(2000);
			System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"，释放资源");
			semaphore.release();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}

	}

	public static void main(String[] args) {
		 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
		 SemaphoreDemo demo = new SemaphoreDemo();
		 for(int i = 0 ; i < 8 ; i ++){
			 executor.submit(demo);
		 }
	}

}

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线程pool-1-thread-1，申请资源
线程pool-1-thread-5，申请资源
线程pool-1-thread-4，申请资源
线程pool-1-thread-2，申请资源
线程pool-1-thread-3，申请资源
线程pool-1-thread-2，释放资源
线程pool-1-thread-3，释放资源
线程pool-1-thread-4，释放资源
线程pool-1-thread-2，申请资源
线程pool-1-thread-5，释放资源
线程pool-1-thread-1，释放资源
线程pool-1-thread-4，申请资源
线程pool-1-thread-3，申请资源
线程pool-1-thread-2，释放资源
线程pool-1-thread-4，释放资源
线程pool-1-thread-3，释放资源

总结

  • CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待。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。另外，CountDownLatch是不能够重用的，而CyclicBarrier是可以重用。
  • 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。