Java併發編程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

　　在java 1.5中，提供了一些非常有用的輔助類來幫助我們進行併發編程，比如CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore，今天我們就來學習一下這三個輔助類的用法。

　　以下是本文目錄大綱：

　　一.CountDownLatch用法

　　二.CyclicBarrier用法

　　三.Semaphore用法

一.CountDownLatch用法

　　CountDownLatch類位於java.util.concurrent包下，利用它可以實現類似計數器的功能。比如有一個任務A，它要等待其他4個任務執行完畢之後才能執行，此時就可以利用CountDownLatch來實現這種功能了。

　　CountDownLatch類只提供了一個構造器：
　　

public CountDownLatch(int count) {  };  //參數count爲計數值

　　然後下面這3個方法是CountDownLatch類中最重要的方法：
　　

public void await() throws InterruptedException { };   //調用await()方法的線程會被掛起，它會等待直到count值爲0才繼續執行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //和await()類似，只不過等待一定的時間後count值還沒變爲0的話就會繼續執行
public void countDown() { };  //將count值減1

　　下面看一個例子大家就清楚CountDownLatch的用法了：
　　

public class Test {
     public static void main(String[] args) {   
         final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

         new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                     System.out.println("子線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在執行");
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("子線程"+Thread.currentThread().getName()+"執行完畢");
                    latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();

         new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                     System.out.println("子線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在執行");
                     Thread.sleep(3000);
                     System.out.println("子線程"+Thread.currentThread().getName()+"執行完畢");
                     latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();

         try {
             System.out.println("等待2個子線程執行完畢...");
            latch.await();
            System.out.println("2個子線程已經執行完畢");
            System.out.println("繼續執行主線程");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
     }
}

　　執行結果：
　　

線程Thread-0正在執行
線程Thread-1正在執行
等待2個子線程執行完畢...
線程Thread-0執行完畢
線程Thread-1執行完畢
2個子線程已經執行完畢
繼續執行主線程

二.CyclicBarrier用法

　　字面意思迴環柵欄，通過它可以實現讓一組線程等待至某個狀態之後再全部同時執行。叫做迴環是因爲當所有等待線程都被釋放以後，CyclicBarrier可以被重用。我們暫且把這個狀態就叫做barrier，當調用await()方法之後，線程就處於barrier了。

　　CyclicBarrier類位於java.util.concurrent包下，CyclicBarrier提供2個構造器：
　　

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
}

public CyclicBarrier(int parties) {
}

　　參數parties指讓多少個線程或者任務等待至barrier狀態；參數barrierAction爲當這些線程都達到barrier狀態時會執行的內容。

　　然後CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法，它有2個重載版本：

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

　　第一個版本比較常用，用來掛起當前線程，直至所有線程都到達barrier狀態再同時執行後續任務；

　　第二個版本是讓這些線程等待至一定的時間，如果還有線程沒有到達barrier狀態就直接讓到達barrier的線程執行後續任務。

　　下面舉幾個例子就明白了：

　　假若有若干個線程都要進行寫數據操作，並且只有所有線程都完成寫數據操作之後，這些線程才能繼續做後面的事情，此時就可以利用CyclicBarrier了：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Writer(barrier).start();
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數據...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      //以睡眠來模擬寫入數據操作
                System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...");
        }
    }
}

　　執行結果：
　　

線程Thread-0正在寫入數據...
線程Thread-3正在寫入數據...
線程Thread-2正在寫入數據...
線程Thread-1正在寫入數據...
線程Thread-2寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-0寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-3寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-1寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...

　　從上面輸出結果可以看出，每個寫入線程執行完寫數據操作之後，就在等待其他線程寫入操作完畢。

　　當所有線程線程寫入操作完畢之後，所有線程就繼續進行後續的操作了。

　　如果說想在所有線程寫入操作完之後，進行額外的其他操作可以爲CyclicBarrier提供Runnable參數：
　　

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N,new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("當前線程"+Thread.currentThread().getName());   
            }
        });

        for(int i=0;i<N;i++)
            new Writer(barrier).start();
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數據...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      //以睡眠來模擬寫入數據操作
                System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...");
        }
    }
}

　　運行結果：
　　

線程Thread-0正在寫入數據...
線程Thread-1正在寫入數據...
線程Thread-2正在寫入數據...
線程Thread-3正在寫入數據...
線程Thread-0寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-1寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-2寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-3寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
當前線程Thread-3
所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...

　　從結果可以看出，當四個線程都到達barrier狀態後，會從四個線程中選擇一個線程去執行Runnable。

　　下面看一下爲await指定時間的效果：
　　

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);

        for(int i=0;i<N;i++) {
            if(i<N-1)
                new Writer(barrier).start();
            else {
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                new Writer(barrier).start();
            }
        }
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數據...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      //以睡眠來模擬寫入數據操作
                System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢");
                try {
                    cyclicBarrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
                } catch (TimeoutException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...");
        }
    }
}

　　執行結果：
　　

線程Thread-0正在寫入數據...
線程Thread-2正在寫入數據...
線程Thread-1正在寫入數據...
線程Thread-2寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-0寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-1寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-3正在寫入數據...
java.util.concurrent.TimeoutException
Thread-1所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
Thread-0所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)
    at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)
    at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)
    at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)
Thread-2所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
線程Thread-3寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)
    at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)
Thread-3所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...

　　上面的代碼在main方法的for循環中，故意讓最後一個線程啓動延遲，因爲在前面三個線程都達到barrier之後，等待了指定的時間發現第四個線程還沒有達到barrier，就拋出異常並繼續執行後面的任務。

　　另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面這個例子：
　　

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);

        for(int i=0;i<N;i++) {
            new Writer(barrier).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(25000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("CyclicBarrier重用");

        for(int i=0;i<N;i++) {
            new Writer(barrier).start();
        }
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數據...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      //以睡眠來模擬寫入數據操作
                System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢");

                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...");
        }
    }
}

　　執行結果：
　　

線程Thread-0正在寫入數據...
線程Thread-1正在寫入數據...
線程Thread-3正在寫入數據...
線程Thread-2正在寫入數據...
線程Thread-1寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-3寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-2寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-0寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
Thread-0所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
Thread-3所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
Thread-1所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
Thread-2所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
CyclicBarrier重用
線程Thread-4正在寫入數據...
線程Thread-5正在寫入數據...
線程Thread-6正在寫入數據...
線程Thread-7正在寫入數據...
線程Thread-7寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-5寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-6寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-4寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢
Thread-4所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
Thread-5所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
Thread-6所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
Thread-7所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...

　　從執行結果可以看出，在初次的4個線程越過barrier狀態後，又可以用來進行新一輪的使用。而CountDownLatch無法進行重複使用。

三.Semaphore用法

　　Semaphore翻譯成字面意思爲信號量，Semaphore可以控同時訪問的線程個數，通過 acquire() 獲取一個許可，如果沒有就等待，而 release() 釋放一個許可。

　　Semaphore類位於java.util.concurrent包下，它提供了2個構造器：
　　

public Semaphore(int permits) {          //參數permits表示許可數目，即同時可以允許多少線程進行訪問
    sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {    //這個多了一個參數fair表示是否是公平的，即等待時間越久的越先獲取許可
    sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

　　下面說一下Semaphore類中比較重要的幾個方法，首先是acquire()、release()方法：
　　

public void acquire() throws InterruptedException {  }     //獲取一個許可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { }    //獲取permits個許可
public void release() { }          //釋放一個許可
public void release(int permits) { }    //釋放permits個許可

　　acquire()用來獲取一個許可，若無許可能夠獲得，則會一直等待，直到獲得許可。

　　release()用來釋放許可。注意，在釋放許可之前，必須先獲獲得許可。

　　這4個方法都會被阻塞，如果想立即得到執行結果，可以使用下面幾個方法：
　　

public boolean tryAcquire() { };    //嘗試獲取一個許可，若獲取成功，則立即返回true，若獲取失敗，則立即返回false
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //嘗試獲取一個許可，若在指定的時間內獲取成功，則立即返回true，否則則立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; //嘗試獲取permits個許可，若獲取成功，則立即返回true，若獲取失敗，則立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //嘗試獲取permits個許可，若在指定的時間內獲取成功，則立即返回true，否則則立即返回false

　　另外還可以通過availablePermits()方法得到可用的許可數目。

　　下面通過一個例子來看一下Semaphore的具體使用：

　　假若一個工廠有5臺機器，但是有8個工人，一臺機器同時只能被一個工人使用，只有使用完了，其他工人才能繼續使用。那麼我們就可以通過Semaphore來實現：
　　

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 8;            //工人數
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //機器數目
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Worker(i,semaphore).start();
    }

    static class Worker extends Thread{
        private int num;
        private Semaphore semaphore;
        public Worker(int num,Semaphore semaphore){
            this.num = num;
            this.semaphore = semaphore;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人"+this.num+"佔用一個機器在生產...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("工人"+this.num+"釋放出機器");
                semaphore.release();           
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

　　執行結果：
　　

工人0佔用一個機器在生產...
工人1佔用一個機器在生產...
工人2佔用一個機器在生產...
工人4佔用一個機器在生產...
工人5佔用一個機器在生產...
工人0釋放出機器
工人2釋放出機器
工人3佔用一個機器在生產...
工人7佔用一個機器在生產...
工人4釋放出機器
工人5釋放出機器
工人1釋放出機器
工人6佔用一個機器在生產...
工人3釋放出機器
工人7釋放出機器
工人6釋放出機器

　　下面對上面說的三個輔助類進行一個總結：

　　1）CountDownLatch和CyclicBarrier都能夠實現線程之間的等待，只不過它們側重點不同：

　　　　CountDownLatch一般用於某個線程A等待若干個其他線程執行完任務之後，它才執行；

　　　　而CyclicBarrier一般用於一組線程互相等待至某個狀態，然後這一組線程再同時執行；

　　　　另外，CountDownLatch是不能夠重用的，而CyclicBarrier是可以重用的。

　　2）Semaphore其實和鎖有點類似，它一般用於控制對某組資源的訪問權限。

　　參考資料：

　　《Java編程思想》
　　

　　這個世界上沒有知識是學不會的，不是嗎？如果一開始學不會，就可以把問題細化分解，然後學習更基本的知識。最後，所有問題都能變得和1+1=2一樣簡單，我們需要的只是時間。好了，最後給大家推薦一個學習Java的好網站JAVA自學網站–how2j.cn

Java併發編程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

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