Java并发： CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

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CountDownLatch
作用
示例
CyclicBarrier
示例
CyclicBarrier 和 CountDownLatch 在用法上的不同
Semaphore
示例：Semaphore 控制资源访问
最后一句话总结

这次说一下 JUC 中的同步器三个主要的成员：

CountDownLatch

、

CyclicBarrier

和

Semaphore

（不知道有没有初学者觉得这三个的名字不太好记）。这三个是 JUC 中较为常用的同步器，通过它们可以方便地实现很多线程之间协作的功能。（下面的代码出自 JDK 文档）

CountDownLatch

直译过来就是倒计数(CountDown)门闩(Latch)。倒计数不用说，门闩的意思顾名思义就是阻止前进。在这里就是指

CountDownLatch.await()

方法在倒计数为0之前会阻塞当前线程。

作用

CountDownLatch

的作用和

Thread.join()

方法类似，可用于一组线程和另外一组线程的协作。例如，主线程在做一项工作之前需要一系列的准备工作，只有这些准备工作都完成，主线程才能继续它的工作。这些准备工作彼此独立，所以可以并发执行以提高速度。在这个场景下就可以使用

CountDownLatch

协调线程之间的调度了。在直接创建线程的年代（Java 5.0 之前），我们可以使用

Thread.join()

。在
JUC 出现后，因为线程池中的线程不能直接被引用，所以就必须使用

CountDownLatch

了。

示例

下面的这个例子可以理解为 F1 赛车的维修过程，只有 startSignal （可以表示停车，可能名字不太贴合）命令下达之后，维修工才开始干活，只有等所有工人完成工作之后，赛车才能继续。

class Driver { // ...
void main() throws InterruptedException {
CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);

for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads
new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();

doSomethingElse();            // don't let run yet
startSignal.countDown();      // let all threads proceed
doSomethingElse();
doneSignal.await();           // wait for all to finish
}
}

class Worker implements Runnable {
private final CountDownLatch startSignal;
private final CountDownLatch doneSignal;
Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {
this.startSignal = startSignal;
this.doneSignal = doneSignal;
}
public void run() {
try {
startSignal.await();
doWork();
doneSignal.countDown();
} catch (InterruptedException ex) {} // return;
}

void doWork() { ... }
}

当

startSignal.await()

会阻塞线程，当

startSignal.countDown()

被调用之后，所有

Worker

线程开始执行

doWork()

方法，所以

Worker。doWork()

是几乎同时开始执行的。当

Worker.doWork()

执行完毕后，调用

doneSignal.countDown()

，在所有

Worker

线程执行完毕之后，主线程继续执行。

CyclicBarrier

CyclicBarrier

翻译过来叫循环栅栏、循环障碍什么的（还是有点别扭的。所以还是别翻译了，只可意会不可言传啊）。它主要的方法就是一个：

await()

。

await()

方法每被调用一次，计数便会减少1，并阻塞住当前线程。当计数减至0时，阻塞解除，所有在此

CyclicBarrier

上面阻塞的线程开始运行。在这之后，如果再次调用

await()

方法，计数就又会变成 N-1，新一轮重新开始，这便是
Cyclic 的含义所在。

CyclicBarrier

的使用并不难，但需要注意它所相关的异常。除了常见的异常，

CyclicBarrier.await()

方法会抛出一个独有的

BrokenBarrierException

。这个异常发生在当某个线程在等待本

CyclicBarrier

时被中断或超时或被重置时，其它同样在这个

CyclicBarrier

上等待的线程便会受到

BrokenBarrierException

。意思就是说，同志们，别等了，有个小伙伴已经挂了，咱们如果继续等有可能会一直等下去，所有各回各家吧。

CyclicBarrier.await()

方法带有返回值，用来表示当前线程是第几个到达这个 Barrier 的线程。

和

CountDownLatch

一样，

CyclicBarrier

同样可以可以在构造函数中设定总计数值。与

CountDownLatch

不同的是，

CyclicBarrier

的构造函数还可以接受一个

Runnable

，会在

CyclicBarrier

被释放时执行。

NOTE: CyclicBarrier 的功能也可以由 CountDownLatch 来实现

示例

CyclicBarrier 的应用（当然，这个例子换成 CountDownLatch 也是可以实现的，很简单，就不说怎么写了）

class Solver {
final int N;
final float[][] data;
final CyclicBarrier barrier;

class Worker implements Runnable {
int myRow;
Worker(int row) { myRow = row; }
public void run() {
while (!done()) {
processRow(myRow);

try {
barrier.await();
} catch (InterruptedException ex) {
return;
} catch (BrokenBarrierException ex) {
return;
}
}
}
}

public Solver(float[][] matrix) {
data = matrix;
N = matrix.length;
barrier = new CyclicBarrier(N, new Runnable() {
public void run() {
mergeRows(...);
}
});
for (int i = 0; i < N; ++i)
new Thread(new Worker(i)).start();

waitUntilDone();
}
}

CyclicBarrier

和

CountDownLatch

在用法上的不同

CountDownLatch

适用于一组线程和另一个主线程之间的工作协作。一个主线程等待一组工作线程的任务完毕才继续它的执行是使用

CountDownLatch

的主要场景；

CyclicBarrier

用于一组或几组线程，比如一组线程需要在一个时间点上达成一致，例如同时开始一个工作。另外，

CyclicBarrier

的循环特性和构造函数所接受的

Runnable

参数也是

CountDownLatch

所不具备的。

Semaphore

Semaphore

直译是信号量，可能称它是许可量更容易理解。当然，因为在计算机科学中这个名字由来已久，所以不能乱改。它的功能比较好理解，就是通过构造函数设定一个数量的许可，然后通过

acquire

方法获得许可，

release

方法释放许可。它还有

tryAcquire

和

acquireUninterruptibly

方法，可以根据自己的需要选择

示例：

Semaphore

控制资源访问

class Pool {
private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);

public Object getItem() throws InterruptedException {
available.acquire();
return getNextAvailableItem();
}

public void putItem(Object x) {
if (markAsUnused(x))
available.release();
}

// Not a particularly efficient data structure; just for demo

protected Object[] items = ... whatever kinds of items being managed
protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];

protected synchronized Object getNextAvailableItem() {
for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if (!used[i]) {
used[i] = true;
return items[i];
}
}
return null; // not reached
}

protected synchronized boolean markAsUnused(Object item) {
for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if (item == items[i]) {
if (used[i]) {
used[i] = false;
return true;
} else
return false;
}
}
return false;
}
}

上面这个示例中 Semaphore 的用法没什么可多讲的。需要留言的是这里面有两个同步方法，不过对吞吐应该没什么影响，因为主要是对一个 boolean 数组做一下 O(n) 的操作，而且每个循环里面的操作很简单，所以速度很快。不过不知道 JUC 里面线程池的控制是怎么做的，本人不才，还没看过那块源代码，得空看看，有知道的也可以说说。

最后一句话总结

CountDownLatch

是能使一组线程等另一组线程都跑完了再继续跑；

CyclicBarrier

能够使一组线程在一个时间点上达到同步，可以是一起开始执行全部任务或者一部分任务。同时，它是可以循环使用的；

Semaphore

是只允许一定数量的线程同时执行一段任务。