Java併發編程：CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore

時間  2020-05-09
標籤 java 併發 編程 countdownlatch cyclicbarrier semaphore 欄目 Java 简体版
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在java 1.5中，提供了一些很是有用的輔助類來幫助咱們進行併發編程，好比CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore，今天咱們就來學習一下這三個輔助類的用法。java

如下是本文目錄大綱：編程

一.CountDownLatch用法併發

二.CyclicBarrier用法ide

三.Semaphore用法學習

一.CountDownLatch用法

CountDownLatch類位於java.util.concurrent包下，利用它能夠實現相似計數器的功能。好比有一個任務A，它要等待其餘4個任務執行完畢以後才能執行，此時就能夠利用CountDownLatch來實現這種功能了。ui

CountDownLatch類只提供了一個構造器：this

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

而後下面這3個方法是CountDownLatch類中最重要的方法：spa

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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()相似，只不過等待必定的時間後count值還沒變爲0的話就會繼續執行
public void countDown() { };  //將count值減1

下面看一個例子你們就清楚CountDownLatch的用法了：線程

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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：翻譯

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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，經過它能夠實現讓一組線程等待至某個狀態以後再所有同時執行。叫作迴環是由於當全部等待線程都被釋放之後，CyclicBarrier能夠被重用。咱們暫且把這個狀態就叫作barrier，當調用await()方法以後，線程就處於barrier了。

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

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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。

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

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

第一個版本比較經常使用，用來掛起當前線程，直至全部線程都到達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必定的時間，若是還有線程沒有到達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：

倘若有若干個線程都要進行寫數據操做，而且只有全部線程都完成寫數據操做以後，這些線程才能繼續作後面的事情，此時就能夠利用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( "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做
                 System.out.println( "線程" +Thread.currentThread().getName()+ "寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢" );
                 cyclicBarrier.await();
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             } catch (BrokenBarrierException e){
                 e.printStackTrace();
             }
             System.out.println( "全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務..." );
         }
     }
}

執行結果：

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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，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 0 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 3 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 1 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...

從上面輸出結果能夠看出，每一個寫入線程執行完寫數據操做以後，就在等待其餘線程寫入操做完畢。

當全部線程線程寫入操做完畢以後，全部線程就繼續進行後續的操做了。

若是說想在全部線程寫入操做完以後，進行額外的其餘操做能夠爲CyclicBarrier提供Runnable參數：

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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( "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做
                 System.out.println( "線程" +Thread.currentThread().getName()+ "寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢" );
                 cyclicBarrier.await();
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             } catch (BrokenBarrierException e){
                 e.printStackTrace();
             }
             System.out.println( "全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務..." );
         }
     }
}

運行結果：

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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，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 1 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 2 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 3 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
當前線程Thread- 3
全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...

從結果能夠看出，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：

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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( "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做
                 System.out.println( "線程" +Thread.currentThread().getName()+ "寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢" );
                 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()+ "全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務..." );
         }
     }
}

執行結果：

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

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，由於在前面三個線程都達到barrier以後，等待了指定的時間發現第四個線程尚未達到barrier，就拋出異常並繼續執行後面的任務。

另外CyclicBarrier是能夠重用的，看下面這個例子：

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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( "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做
                 System.out.println( "線程" +Thread.currentThread().getName()+ "寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢" );
 
                 cyclicBarrier.await();
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             } catch (BrokenBarrierException e){
                 e.printStackTrace();
             }
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務..." );
         }
     }
}

執行結果：

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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，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 3 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 2 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 0 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
Thread- 0 全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
Thread- 3 全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
Thread- 1 全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
Thread- 2 全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
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，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 5 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 6 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
線程Thread- 4 寫入數據完畢，等待其餘線程寫入完畢
Thread- 4 全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
Thread- 5 全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
Thread- 6 全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...
Thread- 7 全部線程寫入完畢，繼續處理其餘任務...

從執行結果能夠看出，在初次的4個線程越過barrier狀態後，又能夠用來進行新一輪的使用。而CountDownLatch沒法進行重複使用。

三.Semaphore用法

Semaphore翻譯成字面意思爲 信號量，Semaphore能夠控同時訪問的線程個數，經過 acquire() 獲取一個許可，若是沒有就等待，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：

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public Semaphore( int permits) {          //參數permits表示許可數目，即同時能夠容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表示是不是公平的，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：

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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，若無許可可以得到，則會一直等待，直到得到許可。

release()用來釋放許可。注意，在釋放許可以前，必須先獲得到許可。

這4個方法都會被阻塞，若是想當即獲得執行結果，可使用下面幾個方法：

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public boolean tryAcquire() { };    //嘗試獲取一個許可，若獲取成功，則當即返回true，若獲取失敗，則當即返回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，則當即返回true，不然則當即返回false
public boolean tryAcquire( int permits) { }; //嘗試獲取permits個許可，若獲取成功，則當即返回true，若獲取失敗，則當即返回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，則當即返回true，不然則當即返回false

另外還能夠經過availablePermits()方法獲得可用的許可數目。

下面經過一個例子來看一下Semaphore的具體使用：

倘若一個工廠有5臺機器，可是有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，其餘工人才能繼續使用。那麼咱們就能夠經過Semaphore來實現：

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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：

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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都可以實現線程之間的等待，只不過它們側重點不一樣：

CountDownLatch通常用於某個線程A等待若干個其餘線程執行完任務以後，它才執行；

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

另外，CountDownLatch是不可以重用的，而CyclicBarrier是能夠重用的。

2）Semaphore其實和鎖有點相似，它通常用於控制對某組資源的訪問權限。

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