Java中的併發工具類：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

　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。　　

一.CountDownLatch用法

　　CountDownLatch類位於java.util.concurrent包下，容許一個或多個線程等待其餘線程完成操做，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，雖然join()方法也能夠實現相似功能，但CountDownLatch比join的功能更多。

　　CountDownLatch類只提供了一個構造器：

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：

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：

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 

注意：計數器必須大於等於0，只是等於0時候，計數器就是零，調用await方法時不會阻塞當前線程。CountDownLatch不可能從新初始化或者修改CountDownLatch對象的內部計數器的值。一個線程調用countDown方法happen-before另一個線程調用await方法。

CountDownLatch的實現原理：CountDownLatch是經過「共享鎖」實現的。在建立CountDownLatch時，會傳遞一個int類型參數count，該參數是「鎖計數器」的初始狀態，表示該「共享鎖」最多能被count個線程同時獲取。當某線程調用該CountDownLatch對象的await()方法時，該線程會等待「共享鎖」可用時，才能獲取「共享鎖」進而繼續運行。而「共享鎖」可用的條件，就是「鎖計數器」的值爲0！而「鎖計數器」的初始值爲count，每當一個線程調用該CountDownLatch對象的countDown()方法時，纔將「鎖計數器」-1；經過這種方式，必須有count個線程調用countDown()以後，「鎖計數器」才爲0，而前面提到的等待線程才能繼續運行！

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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。

參考資料

Java併發編程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore：https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920397.html

Java多線程系列--「JUC鎖」09之 CountDownLatch原理和示例：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3533887.html#a1