java中的JUC组件（Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier）
1、简介
Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier 这三个工具类都是用于并发控制的操作，底层都是基于AQS去实现的；
- Semaphore（信号量）: 提供一个竞争资源处理的工具，当系统内有足够的信号量事，线程可以去获取信号量执行操作，当信号量资源被使用完后，需要等待资源释放后后续线程（资源竞争）才能够执行；
- CountDownLatch（闭锁）：可以理解为一个开关，闭锁创建的时候，可以指定一个闭锁打开依赖条件个数，只有满足条件的资源就绪时，闭锁打开，对应的线程可以执行后续任务；
- CyclicBarrier（栅栏）：当所有依赖栅栏的线程执行到关键节点的时候，都需要等待其他线程到达栅栏点，否则无法继续执行，所有线程到达栅栏的关键点，这些线程即可继续执行后续任务。
2、Semaphore
semaphore在代码中使用的执行流程简图：
其本质就是操作系统的P-V操作，当资源足够的时候线程获得资源并执行，资源不足时线程等待或者退出，当资源被释放时线程又可以获取竞争资源继续执行；
2.1、源码实现：
Semaphore类的代码结构如上图，可以看到其内部实现了公平锁和非公平锁，所以我们可以使用这两种不同的模式来构建Semaphore对象实例；
不论我们使用公平与非公平锁，其初始化最终都会调用到sync的构造方法；
下面可以看看内部的获取资源以及释放资源的具体实现：
public class Semaphore implements java.io.Serializable {
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{
//初始化
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
}
public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
}
sync.acquireSharedInterruptibly(permits) 最终会调用的AQS的实现，对于AQS中该实现简单说明：如果这里能够获取到资源，内部就返回success，这里会扣减permits的值，任务继续执行，否则，将当前线程加入等待队列中（具体参考AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly()）；
3、CountDownLatch
CountDownLatch在代码中使用的执行流程简图：
3.1、源码实现
public class CountDownLatch {
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
}
public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
}
当某个线程调用await()方法时由于CountDownLatch.Sync中的实现tryAcquireShared会判断state是否等于0，如果不等于，就会进入等待队列，直到countDown调用sync.releaseShared(1)使得sync的状态到0，await的线程才会继续执行；
4、CyclicBarrier
CyclicBarrier在代码中使用的执行流程简图：
4.1、源码实现
public class CyclicBarrier {
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}
private static class Generation {
boolean broken = false;
}
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
//保存当前generation 副本
final Generation g = generation;
//如果当前副本已推出，抛出异常
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
//如果当前线程已中断抛出异常
if (Thread.interrupted()) {
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
//计算当前是否所有线程到达“栅栏”
int index = --count;
if (index == 0) { // tripped
//所有线程到达栅栏
boolean ranAction = false;
try {
//如果初始化了自定方法，触发
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null)
command.run();
ranAction = true;
//唤醒所有到达“栅栏”的线程，并跳到下一个新的generation
nextGeneration();
return 0;
} finally {
if (!ranAction)
breakBarrier();
}
}
// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
//如果还有线程没有到达栅栏
for (;;) {
try {
//根据设置的等待时间进行等待
//里面会调用LockSupport.park(this);
//将当前线程放入等待队列中
if (!timed)
trip.await();
else if (nanos > 0L)
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException ie) {
//异常处理流程
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier();
throw ie;
} else {
// We're about to finish waiting even if we had not
// been interrupted, so this interrupt is deemed to
// "belong" to subsequent execution.
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
//当前线程geration 不等于实际 geration 正常返回
if (g != generation)
return index;
//超过等待时间所有线程还未到达“栅栏”，抛出异常
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
//跳到下一个geration操作
private void nextGeneration() {
// signal completion of last generation
trip.signalAll();
// set up next generation
count = parties;
generation = new Generation();
}
}
CyclicBarrier 维护了一个计数器，和一个 generation 每次调用await都会有将计数器减一，并且产生一个新的 generation ，只要计数器不为零，所有前置线程都会触发 ((Condition)trip).await(); 内部会调用 LockSupport.park(this); 方法将线程加入等待队列，知道所有线程就绪，会调用 trip.signalAll(); 唤醒所有线程，同时执行一个用户自定义的 Runnable 策略
