Java并发编程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

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Java并发编程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

在Java 1.5中，提供了一些非常有用的辅助类来帮助我们进行并发编程，比如CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore，今天我们就来学习一下这三个辅助类的用法。

1. CountDownLatch用法

直译过来就是倒计数(CountDown)门闩(Latch)。倒计数不用说，门闩的意思顾名思义就是阻止前进。在这里就是指 CountDownLatch.await() 方法在倒计数为0之前会阻塞当前线程。

CountDownLatch 的作用和 Thread.join() 方法类似，可用于一组线程和另外一组线程的协作。例如，主线程在做一项工作之前需要一系列的准备工作，只有这些准备工作都完成，主线程才能继续它的工作。这些准备工作彼此独立，所以可以并发执行以提高速度。在这个场景下就可以使用 CountDownLatch 协调线程之间的调度了。在直接创建线程的年代（Java 5.0 之前），我们可以使用 Thread.join()。在 JUC 出现后，因为线程池中的线程不能直接被引用，所以就必须使用 CountDownLatch 了。

1.1. CountDownLatch接口

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

然后下面这3个方法是CountDownLatch类中最重要的方法：

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// 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 void await() 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 boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  

// 将count值减1
public void countDown() { };

1.2. CountDownLatch应用例子

下面看一个例子大家就清楚CountDownLatch的用法了：

下面的这个例子可以理解为 F1 赛车的维修过程，只有 startSignal （可以表示停车，可能名字不太贴合）命令下达之后，维修工才开始干活，只有等所有工人完成工作之后，赛车才能继续。

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package com.wxweven.concurrent;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * 下面的这个例子可以理解为 F1 赛车的维修过程， 只有 startSignal命令下达之后，维修工才开始干活，
 * 只有等所有工人（doneSignal）完成工作之后，赛车才能继续
 *
 *
 * CountDownLatch 适用于一组线程和另一个主线程之间的工作协作。
 * 一个主线程等待一组工作线程的任务完毕才继续它的执行是使用CountDownLatch 的主要场景
 *
 * @author wxweven
 * @date 2016年8月28日
 * @version 1.0
 * @email wxweven@qq.com
 * @blog wxweven.com
 * @Copyright: Copyright (c) wxweven 2009 - 2016
 */
public class CountDownLatchTest {

    private static final int      WORKER_SIZE = 5;                               // 定义维修线程的数量
    private static CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);           // 发号施令的计数器
    private static CountDownLatch fixSignal   = new CountDownLatch(WORKER_SIZE); // 维修线程计数器

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatchTest test = new CountDownLatchTest();

        System.out.println("正在执行准备工作...");

        for (int i = 0; i < WORKER_SIZE; i++) {
            new Thread(test.new Worker()).start();
        }

        System.out.println("开始修车吧...");

        startSignal.countDown();
        fixSignal.await();

        System.out.println("修车完成了，开始继续上路吧！！！");

    }

    class Worker implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            try {
                startSignal.await(); // 阻塞在 startSignal上，即等待主线程发号开始维修的施令
                beginFix(); // 执行真正的修车方法
                fixSignal.countDown(); // 修车完成之后，将Signal减1，用于通知阻塞在fixSignal上的线程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        private void beginFix() throws InterruptedException {
            System.out.println("工作线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 在工作...");
            Thread.sleep(500);
        }
    }
}

执行结果：

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正在执行准备工作...
开始修车吧...
工作线程 Thread-3 在工作...
工作线程 Thread-1 在工作...
工作线程 Thread-2 在工作...
工作线程 Thread-4 在工作...
工作线程 Thread-0 在工作...
修车完成了，开始继续上路吧！！！

2. CyclicBarrier用法

CyclicBarrier 翻译过来叫循环栅栏、循环障碍什么的。它主要的方法就是一个：await()。await() 方法每被调用一次，计数便会减少1，并阻塞住当前线程。当计数减至0时，阻塞解除，所有在此 CyclicBarrier 上面阻塞的线程开始运行。在这之后，如果再次调用 await() 方法，计数就又会变成 N-1，新一轮重新开始，这便是 Cyclic 的含义所在。

CyclicBarrier 的使用并不难，但需要注意它所相关的异常。除了常见的异常，CyclicBarrier.await() 方法会抛出一个独有的 BrokenBarrierException。这个异常发生在当某个线程在等待本 CyclicBarrier 时被中断或超时或被重置时，其它同样在这个 CyclicBarrier 上等待的线程便会受到 BrokenBarrierException。意思就是说，同志们，别等了，有个小伙伴已经挂了，咱们如果继续等有可能会一直等下去，所有各回各家吧。

CyclicBarrier.await() 方法带有返回值，用来表示当前线程是第几个到达这个 Barrier 的线程。

和 CountDownLatch 一样，CyclicBarrier 同样可以可以在构造函数中设定总计数值。与 CountDownLatch 不同的是，CyclicBarrier 的构造函数还可以接受一个 Runnable，会在 CyclicBarrier 被释放时执行。

2.1. CyclicBarrier接口

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指让多少个线程或者任务等待至barrier状态；参数barrierAction为当这些线程都达到barrier状态时会执行的内容。

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，直至所有线程都到达barrier状态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barrier状态就直接让到达barrier的线程执行后续任务。

2.2. CyclicBarrier应用例子

下面举几个例子就明白了：

假若有若干个线程对一个数组的不同部分进行赋值，并且只有所有线程都完成赋值之后，才能对数组进行最后的汇总，此时就可以利用CyclicBarrier了：

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package com.wxweven.concurrent;

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

/**
 * CyclicBarrier 用于一组或几组线程，比如一组线程需要在一个时间点上达成一致，例如同时开始一个工作。
 * 另外，CyclicBarrier的循环特性和构造函数所接受的 Runnable 参数也是 CountDownLatch 所不具备的
 *
 * 假若有若干个线程对一个数组的不同部分进行赋值，并且只有所有线程都完成赋值之后，才能对数组进行最后的汇总
 *
 * @author wxweven
 * @date 2016年8月28日
 * @version 1.0
 * @email wxweven@qq.com
 * @blog wxweven.com
 * @Copyright: Copyright (c) wxweven 2009 - 2016
 */
public class CylicBarrierTest {
    private static int    WORKER_SIZE   = 5;
    private int[]         numbers       = new int[WORKER_SIZE];
    private int           sum           = 0;
    private CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(WORKER_SIZE, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < WORKER_SIZE; i++) {
                sum += numbers[i];
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "最后汇总的结果是：" + sum);
        }
    });

    public static void main(String[] args) {

        CylicBarrierTest test = new CylicBarrierTest();

        System.out.println("正在执行准备工作...");

        for (int i = 0; i < WORKER_SIZE; i++) {
            new Thread(test.new Worker(i), "线程" + i).start();
        }

    }

    class Worker implements Runnable {
        private int index;

        public Worker(int index) {
            this.index = index;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始计算...");

            try {
                Thread.sleep(2000);
                numbers[index] = index;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成计算...");
                cyclicBarrier.await();

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println("所有线程都已完成计算，开始汇总...");
        }
    }
}

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正在执行准备工作...
线程0开始计算...
线程1开始计算...
线程2开始计算...
线程3开始计算...
线程4开始计算...
线程2完成计算...
线程0完成计算...
线程1完成计算...
线程3完成计算...
线程4完成计算...
线程3最后汇总的结果是：10
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...

从上面输出结果可以看出，每个写入线程对数组赋值完成之后，就在等待其他线程赋值完毕。

当所有线程线程赋值完毕之后，就可以对数组进行汇总操作了。

CyclicBarrier提供的Runnable参数，用于在所有线程工作完成后需要执行的任务，（比如上述例子中，所有线程执行完对数组的赋任务后，还需要执行一个汇总的任务），CyclicBarrier会将该任务 随机分配 给已完成工作的线程去执行（这一点设计也是很优秀的，直接复用之前的线程，而不是再去起新的线程了！），比如示例运行中的线程3。

2.3. CyclicBarrier设置等待超时

下面看一下为await指定时间的效果：

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package com.wxweven.concurrent;

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

/**
 * CyclicBarrier 用于一组或几组线程，比如一组线程需要在一个时间点上达成一致，例如同时开始一个工作。
 * 另外，CyclicBarrier的循环特性和构造函数所接受的 Runnable 参数也是 CountDownLatch 所不具备的
 *
 * 假若有若干个线程都要进行写数据操作，并且只有所有线程都完成写数据操作之后，这些线程才能继续做后面的事情
 *
 * @author wxweven
 * @date 2016年8月28日
 * @version 1.0
 * @email wxweven@qq.com
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 * @Copyright: Copyright (c) wxweven 2009 - 2016
 */
public class CylicBarrierTest {
    private static int    WORKER_SIZE   = 5;
    private int[]         numbers       = new int[WORKER_SIZE];
    private int           sum           = 0;
    private CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(WORKER_SIZE, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < WORKER_SIZE; i++) {
                sum += numbers[i];
            }

            System.out
            .println(Thread.currentThread().getName() + "最后汇总的结果是：" + sum);
        }
    });

    public static void main(String[] args) {

        CylicBarrierTest test = new CylicBarrierTest();

        System.out.println("正在执行准备工作...");

        for (int i = 0; i < WORKER_SIZE; i++) {
            if (i == WORKER_SIZE - 1) {
                try {
                    // 故意让最后一个线程延时5秒启动
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            new Thread(test.new Worker(i), "线程" + i).start();
        }

    }

    class Worker implements Runnable {
        private int index;

        public Worker(int index) {
            this.index = index;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始计算...");

            try {
                Thread.sleep(2000);
                numbers[index] = index;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成计算...");
                cyclicBarrier.await(2, TimeUnit.SECONDS);

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (TimeoutException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println("所有线程都已完成计算，开始汇总...");
        }
    }

}

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正在执行准备工作...
线程0开始计算...
线程1开始计算...
线程2开始计算...
线程3开始计算...
线程3完成计算...
线程2完成计算...
线程0完成计算...
线程1完成计算...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
所有线程都已完成计算，开始汇总...	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
	at com.wxweven.concurrent.CylicBarrierTest$Worker.run(CylicBarrierTest.java:73)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
	at com.wxweven.concurrent.CylicBarrierTest$Worker.run(CylicBarrierTest.java:73)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
java.util.concurrent.TimeoutException
	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:257)
	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
	at com.wxweven.concurrent.CylicBarrierTest$Worker.run(CylicBarrierTest.java:73)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
	at com.wxweven.concurrent.CylicBarrierTest$Worker.run(CylicBarrierTest.java:73)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
线程4开始计算...
线程4完成计算...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:207)
	at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
	at com.wxweven.concurrent.CylicBarrierTest$Worker.run(CylicBarrierTest.java:73)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
所有线程都已完成计算，开始汇总...

上面的代码46行中，故意让最后一个线程启动延迟，因为在前面三个线程都达到barrier之后，等待了指定的时间发现第四个线程还没有达到barrier，就抛出异常并继续执行后面的任务。

2.4. CyclicBarrier重用

另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面这个例子：

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package com.wxweven.concurrent;

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

/**
 * CyclicBarrier 用于一组或几组线程，比如一组线程需要在一个时间点上达成一致，例如同时开始一个工作。
 * 另外，CyclicBarrier的循环特性和构造函数所接受的 Runnable 参数也是 CountDownLatch 所不具备的
 *
 * 假若有若干个线程都要进行写数据操作，并且只有所有线程都完成写数据操作之后，这些线程才能继续做后面的事情
 *
 * @author wxweven
 * @date 2016年8月28日
 * @version 1.0
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 * @Copyright: Copyright (c) wxweven 2009 - 2016
 */
public class CylicBarrierTest {
    private static int    WORKER_SIZE   = 5;
    private int[]         numbers       = new int[WORKER_SIZE];
    private int           sum           = 0;
    private CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(WORKER_SIZE, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < WORKER_SIZE; i++) {
                sum += numbers[i];
            }

            System.out
            .println(Thread.currentThread().getName() + "最后汇总的结果是：" + sum);
        }
    });

    public static void main(String[] args) {

        CylicBarrierTest test = new CylicBarrierTest();

        System.out.println("正在执行准备工作...");

        for (int i = 0; i < WORKER_SIZE; i++) {
            new Thread(test.new Worker(i), "线程" + i).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("CylicBarrier重用...");
        for (int i = 0; i < WORKER_SIZE; i++) {
            new Thread(test.new Worker(i), "线程" + i).start();
        }
    }

    class Worker implements Runnable {
        private int index;

        public Worker(int index) {
            this.index = index;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始计算...");

            try {
                Thread.sleep(2000);
                numbers[index] = index;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成计算...");
                cyclicBarrier.await(2, TimeUnit.SECONDS);

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (TimeoutException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println("所有线程都已完成计算，开始汇总...");
        }
    }
}

执行结果：

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正在执行准备工作...
线程0开始计算...
线程1开始计算...
线程2开始计算...
线程3开始计算...
线程4开始计算...
线程0完成计算...
线程1完成计算...
线程2完成计算...
线程4完成计算...
线程3完成计算...
线程2最后汇总的结果是：10
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
CylicBarrier重用...
线程0开始计算...
线程1开始计算...
线程2开始计算...
线程3开始计算...
线程4开始计算...
线程2完成计算...
线程3完成计算...
线程4完成计算...
线程1完成计算...
线程0完成计算...
线程0最后汇总的结果是：20
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...
所有线程都已完成计算，开始汇总...

从执行结果可以看出，在初次的4个线程越过barrier状态后，又可以用来进行新一轮的使用。而CountDownLatch无法进行重复使用。

3. Semaphore用法

Semaphore翻译成字面意思为 信号量，Semaphore可以控同时访问的线程个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。

3.1. Semaphore接口

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);
}

　　
下面说一下Semaphore类中比较重要的几个方法，首先是acquire()、release()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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// 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() { }; 

// 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(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  

// 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) { }; 

// 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
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };

　　
另外还可以通过availablePermits()方法得到可用的许可数目。

3.2. Semaphore应用例子

下面通过一个例子来看一下Semaphore的具体使用：

假若一个工厂有5台机器，但是有8个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用。那么我们就可以通过Semaphore来实现：

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package com.wxweven.concurrent;

import java.util.concurrent.Semaphore;

/**
 * Semaphore可以控同时访问的线程个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。
 *
 * 假若一个工厂有5台机器，但是有8个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用。
 *
 * @author wxweven
 * @date 2016年8月28日
 * @version 1.0
 * @email wxweven@qq.com
 * @blog wxweven.com
 * @Copyright: Copyright (c) wxweven 2009 - 2016
 */
public class SemaphoreTest {
    private static int workerSize  = 8;                         // 工人数量
    private static int machineSize = 5;                         // 机器数量

    private Semaphore  semaphore   = new Semaphore(machineSize);

    public static void main(String[] args) {
        SemaphoreTest test = new SemaphoreTest();

        for (int i = 0; i < workerSize; i++) {
            new Thread(test.new Worker(i + 1)).start();
        }
    }

    class Worker implements Runnable {
        int num;

        public Worker(int num) {
            this.num = num;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人" + num + "开始工作，占用一台机器...");
                Thread.sleep(500);
                System.out.println("工人" + num + "结束工作，释放一台机器...");
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

执行结果：

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工人1开始工作，占用一台机器...
工人2开始工作，占用一台机器...
工人3开始工作，占用一台机器...
工人4开始工作，占用一台机器...
工人5开始工作，占用一台机器...
工人3结束工作，释放一台机器...
工人5结束工作，释放一台机器...
工人4结束工作，释放一台机器...
工人1结束工作，释放一台机器...
工人2结束工作，释放一台机器...
工人8开始工作，占用一台机器...
工人7开始工作，占用一台机器...
工人6开始工作，占用一台机器...
工人8结束工作，释放一台机器...
工人7结束工作，释放一台机器...
工人6结束工作，释放一台机器...

4. 总结

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：

  1. 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；
  2. 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；
  3. 另外，CountDownLatch是不能够重用的，而CyclicBarrier是可以重用的。

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。

5. 参考资料

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920397.html