Thread.join(), CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore区别,联系及应用
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， 由于Thread.join()也和这三个类有类似用法，我也一起拿来进行比较。
1. Join:
等待当前线程执行完再接着执行主线程
注意：一定是先Thread.start()再Thread.join()，不然join不生效。而且join最好紧跟在start后面（下面有个例子说明为什么要这样）
2. CountDownLatch :
A synchronization aid that allows one or more threads to wait until a set of operations being performed in other threads completes.
允许一个线程等待其他线程完成了事情后才执行。常用于等待事件结束
3. CyclicBarrier :
A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point.
允许一组线程互相等待，等待至指定的屏障点，一起运行。常用于等待线程
4. Semaphore：
A counting semaphore. Conceptually, a semaphore maintains a set of permits.
是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源
一、Join
join用于让当前执行线程等待join线程执行结束。其实现原理就是不停检查join线程是否存活，如果join线程存活则当前线程永远等待；
public class JoinTest {
/**
* 场景：需要解析一个Excel中多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，
* 每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序
* 需要提示解析完成。在这个需求中要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，
* 以下是用join方法来处理
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
Thread p1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("Read Excel Sheet One Data");
}
});
Thread p2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("Read Excel Sheet Two Data");
}
});
p1.start();
p2.start();
p1.join();
p2.join();
System.out.println("Excel sheet read over!!!");
executProcessByOrder();
}
/**
* 场景：现在有T1、T2、T3三个线程，你怎样保证T2在T1执行完后执行，T3在T2执行完后执行
*/
public static void executProcessByOrder() throws Exception{
Thread p1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("p1 execut");
}
});
Thread p2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("p2 execut");
}
});
Thread p3 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("p3 execut");
}
});
p1.start();
p1.join();
p2.start();
p2.join();
p3.start();
p3.join();
}
}
运行结果如下：
Read Excel Sheet Two Data Read Excel Sheet One Data Excel sheet read over!!! p1 execut p2 execut p3 execut
为了更好理解源码如下：
/**
* Waits for this thread to die.
*
* <p> An invocation of this method behaves in exactly the same
* way as the invocation
*
* <blockquote>
* {@linkplain #join(long) join}{@code (0)}
* </blockquote>
*
* @throws InterruptedException
* if any thread has interrupted the current thread. The
* <i>interrupted status</i> of the current thread is
* cleared when this exception is thrown.
*/
public final void join() throws InterruptedException {
join(0);
}
/**
* Waits at most {@code millis} milliseconds for this thread to
* die. A timeout of {@code 0} means to wait forever.
*
* <p> This implementation uses a loop of {@code this.wait} calls
* conditioned on {@code this.isAlive}. As a thread terminates the
* {@code this.notifyAll} method is invoked. It is recommended that
* applications not use {@code wait}, {@code notify}, or
* {@code notifyAll} on {@code Thread} instances.
*
* @param millis
* the time to wait in milliseconds
*
* @throws IllegalArgumentException
* if the value of {@code millis} is negative
*
* @throws InterruptedException
* if any thread has interrupted the current thread. The
* <i>interrupted status</i> of the current thread is
* cleared when this exception is thrown.
*/
public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
long base = System.currentTimeMillis();
long now = 0;
if (millis < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
}
if (millis == 0) {
while (isAlive()) {
wait(0);
}
} else {
while (isAlive()) {
long delay = millis - now;
if (delay <= 0) {
break;
}
wait(delay);
now = System.currentTimeMillis() - base;
}
}
}
直到Join线程终止后，线程的this.notifyAll()方法会被调用，调用notifyAll()方法是在JVM里实现的，所以在JDK里看不到，可以查看JVM源码。
注意：一定是先Thread.start()再Thread.join()，不然join不生效。而且join最好紧跟在start后面（下面有个例子说明为什么要这样）
public class JoinTest extends Thread { int i; public JoinTest(int i) { this.i = i; } @Override public void run() { System.out.println("num:" + i); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { JoinTest joinDemo1 = new JoinTest(1); JoinTest joinDemo2 = new JoinTest(2); joinDemo2.start(); System.out.println("1111"); joinDemo1.start(); System.out.println("2222"); joinDemo1.join(); System.out.println("3333"); joinDemo2.join(); System.out.println("4444"); } }
按照join方法的定义，认为是先输出：3333再输出num 2，其实运行其中的一个结果是：
1111 num:2 2222 num:1 3333 4444
这个结果与我们猜想的结果是有出入的，原因就是start与join的中间做了打印操作，并没有达到我们想要的结果，正确的写法如下：
public class JoinTest extends Thread { int i; public JoinTest(int i) { this.i = i; } @Override public void run() { System.out.println("num:" + i); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { JoinTest joinDemo1 = new JoinTest(1); JoinTest joinDemo2 = new JoinTest(2); joinDemo2.start(); joinDemo2.join(); System.out.println("1111"); joinDemo1.start(); joinDemo1.join(); System.out.println("2222"); } }
输出结果如下：
num:2 1111 num:1 2222
一.CountDownLatch用法
CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。
CountDownLatch类只提供了一个构造器：
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：
public void await() throws InterruptedException { }; //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
下面看一个例子大家就清楚CountDownLatch的用法了：
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class CountDownLatchTest {
static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
/**
* 场景：需要解析一个Excel中多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，
* 每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序
* 需要提示解析完成。在这个需求中要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，
* 以下是用CountDownLatch方法来处理
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
Thread p1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("Read Excel Sheet One Data");
countDownLatch.countDown();
}
});
Thread p2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("Read Excel Sheet Two Data");
countDownLatch.countDown();
}
});
p1.start();
p2.start();
countDownLatch.await();
System.out.println("Excel sheet read over!!!");
}
}
运行结果如下：
Read Excel Sheet One Data Read Excel Sheet Two Data Excel sheet read over!!!
CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器，如果你想等待N个点完成，这里就传入N。当调用CountDownLatch的countDown()方法时，N就会减1，CountDownLatch的await()方法会阻塞当前线程，直到N变为0。计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是0，调用await方法时不会阻塞当前线程。
/**
* Decrements the count of the latch, releasing all waiting threads if
* the count reaches zero.
*
* <p>If the current count is greater than zero then it is decremented.
* If the new count is zero then all waiting threads are re-enabled for
* thread scheduling purposes.
*
* <p>If the current count equals zero then nothing happens.
*/
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
/**
* Releases in shared mode. Implemented by unblocking one or more
* threads if {@link #tryReleaseShared} returns true.
*
* @param arg the release argument. This value is conveyed to
* {@link #tryReleaseShared} but is otherwise uninterpreted
* and can represent anything you like.
* @return the value returned from {@link #tryReleaseShared}
*/
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
/**
* Causes the current thread to wait until the latch has counted down to
* zero, unless the thread is {@linkplain Thread#interrupt interrupted}.
*
* <p>If the current count is zero then this method returns immediately.
*
* <p>If the current count is greater than zero then the current
* thread becomes disabled for thread scheduling purposes and lies
* dormant until one of two things happen:
* <ul>
* <li>The count reaches zero due to invocations of the
* {@link #countDown} method; or
* <li>Some other thread {@linkplain Thread#interrupt interrupts}
* the current thread.
* </ul>
*
* <p>If the current thread:
* <ul>
* <li>has its interrupted status set on entry to this method; or
* <li>is {@linkplain Thread#interrupt interrupted} while waiting,
* </ul>
* then {@link InterruptedException} is thrown and the current thread's
* interrupted status is cleared.
*
* @throws InterruptedException if the current thread is interrupted
* while waiting
*/
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
总结：调用join方法需要等待thread执行完毕才能继续向下执行,而CountDownLatch只需要检查计数器的值为零就可以继续向下执行，相比之下，CountDownLatch更加灵活一些，可以实现一些更加复杂的业务场景。
二.CyclicBarrier用法
字面意思回环栅栏，通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用。我们暂且把这个状态就叫做barrier，当调用await()方法之后，线程就处于barrier了。
CyclicBarrier类位于java.util.concurrent包下，CyclicBarrier提供2个构造器：
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：
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。
下面举几个例子就明白了：
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，此时就可以利用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("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作
System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}catch(BrokenBarrierException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
}
}
}
执行结果：
线程Thread-0正在写入数据... 线程Thread-3正在写入数据... 线程Thread-2正在写入数据... 线程Thread-1正在写入数据... 线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 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...
从上面输出结果可以看出，每个写入线程执行完写数据操作之后，就在等待其他线程写入操作完毕。
当所有线程线程写入操作完毕之后，所有线程就继续进行后续的操作了。
如果说想在所有线程写入操作完之后，进行额外的其他操作可以为CyclicBarrier提供Runnable参数：
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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("当前线程"+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("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据..."); try { Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作 System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕"); cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }catch(BrokenBarrierException e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务..."); } }} |
运行结果：
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线程Thread-0正在写入数据...线程Thread-1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-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕当前线程Thread-3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... |
从结果可以看出，当四个线程都到达barrier状态后，会从四个线程中选择一个线程去执行Runnable。
下面看一下为await指定时间的效果：
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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("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据..."); try { Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作 System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕"); 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()+"所有线程写入完毕，继续处理其他任务..."); } }} |
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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-1正在写入数据...线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-3正在写入数据...java.util.concurrent.TimeoutExceptionThread-1所有线程写入完毕，继续处理其他任务...Thread-0所有线程写入完毕，继续处理其他任务... 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$Writer.run(Test.java:58)Thread-2所有线程写入完毕，继续处理其他任务...java.util.concurrent.BrokenBarrierException线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source) at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source) at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)Thread-3所有线程写入完毕，继续处理其他任务... |
上面的代码在main方法的for循环中，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。
另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面这个例子：
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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("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据..."); try { Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作 System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕"); cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }catch(BrokenBarrierException e){ e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有线程写入完毕，继续处理其他任务..."); } }} |
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线程Thread-0正在写入数据...线程Thread-1正在写入数据...线程Thread-3正在写入数据...线程Thread-2正在写入数据...线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕Thread-0所有线程写入完毕，继续处理其他任务...Thread-3所有线程写入完毕，继续处理其他任务...Thread-1所有线程写入完毕，继续处理其他任务...Thread-2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-7写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-5写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-6写入数据完毕，等待其他线程写入完毕线程Thread-4写入数据完毕，等待其他线程写入完毕Thread-4所有线程写入完毕，继续处理其他任务...Thread-5所有线程写入完毕，继续处理其他任务...Thread-6所有线程写入完毕，继续处理其他任务...Thread-7所有线程写入完毕，继续处理其他任务... |
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。
三.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。
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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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falsepublic 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falsepublic 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falsepublic 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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public class Test { public static void main(String[] args) { int N = 8; //工人数 Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目 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+"占用一个机器在生产..."); Thread.sleep(2000); System.out.println("工人"+this.num+"释放出机器"); semaphore.release(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }} |
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工人0占用一个机器在生产...工人1占用一个机器在生产...工人2占用一个机器在生产...工人4占用一个机器在生产...工人5占用一个机器在生产...工人0释放出机器工人2释放出机器工人3占用一个机器在生产...工人7占用一个机器在生产...工人4释放出机器工人5释放出机器工人1释放出机器工人6占用一个机器在生产...工人3释放出机器工人7释放出机器工人6释放出机器 |
下面对上面说的三个辅助类进行一个总结：
1）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：
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是可以重用的。
2）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。
参考资料：
http://www.itzhai.com/the-introduction-and-use-of-a-countdownlatch.html
http://leaver.me/archives/3220.html
http://developer.51cto.com/art/201403/432095.htm
http://blog.csdn.net/yanhandle/article/details/9016329
每天一点成长，欢迎指正！
