Java并发编程：CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore[转]
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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。
以下是本文目录大纲：
一.CountDownLatch用法
二.CyclicBarrier [sai k li c bai ri er] 用法
三.Semaphore[ˈsɛməˌfɔr, -ˌfor]用法
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：
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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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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：
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public class Test { public static void main(String[] args) { final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2); new Thread(){ public void run() { try { System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行"); Thread.sleep(3000); System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕"); latch.countDown(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }; }.start(); new Thread(){ public void run() { try { System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行"); Thread.sleep(3000); System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕"); latch.countDown(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }; }.start(); try { System.out.println("等待2个子线程执行完毕..."); latch.await(); System.out.println("2个子线程已经执行完毕"); System.out.println("继续执行主线程"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }} |
执行结果：
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线程Thread-0正在执行线程Thread-1正在执行等待2个子线程执行完毕...线程Thread-0执行完毕线程Thread-1执行完毕2个子线程已经执行完毕继续执行主线程 |
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：
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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。
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：
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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(); } 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..."); } }} |
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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：
- 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；
- 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。
参考资料：
《Java编程思想》
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
