【Java多线程】CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore使用

1.CountDownLatch的用法

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：

public CountDownLatch(int count) {  // 参数count为计数值
...
}

然后下面3个方法是CountDownLatch类中最重要的方法：

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才继续进行
...
}
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
// 和await()类似，只不过等待一定时间后count值还没变为0的话就会继续执行
...
}
public void countDown() {  // 将count值减1
...
}

下面来看一个例子：

public class MyCountDownLatch {

public static void main(String[] args){
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

for (int i = 0; i < 2; i++) {
new Thread() {
@Override
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");

4000
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();
}
}
}

运行结果为：

等待2个子线程执行完毕
子线程Thread-1正在执行
子线程Thread-0正在执行
子线程Thread-0执行完毕
子线程Thread-1执行完毕
2个子线程已经执行完毕
继续执行主线程

2.CyclicBarrier用法

字面意思为回环栅栏，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：

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：

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，直至所有线程都达到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候，如果还有线程没有达到barrier状态就直接让达到barrier状态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：

public class MyCyclicBarrier {
public static void main(String[] args){
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(4);
for (int i = 0; i < 4; i++) {
new Thread(new Writer(barrier)).start();
}
System.out.println("主线程执行完毕");
}

static class Writer implements Runnable {

private CyclicBarrier barrier;
public Writer(CyclicBarrier barrier) {
this.barrier = barrier;
}

@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在写入数据...");
try {
Thread.sleep(5000);
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");
barrier.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...");
}
}
}

执行结果为：

线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
主线程执行完毕
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操作之后，就在等到其他线程写入操作完毕

当所有线程写入操作完毕后，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：

public class MyCyclicBarrier2 {
public static void main(String[] args){
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(4, new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getName());
}
});

for (int i = 0; i < 4; i++) {
new Writer(barrier).start();
}
}

static class Writer extends Thread {

private CyclicBarrier barrier;
public Writer(CyclicBarrier barrier) {
this.barrier = barrier;
}

@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在写入数据");
try {
Thread.sleep(5000);
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");
barrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

执行结果为：

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-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
线程Thread-0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
当前线程:Thread-1

可以发现，当4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

下面看一个为await指定时间的效果：

public class MyCyclicBarrier3 {
public static void main(String[] args){
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(4);

for (int i = 0; i < 4; i++) {
if (i < 3) {
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 barrier;
public Writer(CyclicBarrier barrier) {
this.barrier = barrier;
}

@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在写入数据");
try {
Thread.sleep(5000);
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");
barrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
} catch (TimeoutException 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...");
}
}
}

执行结果为：

线程Thread-1正在写入数据
线程Thread-2正在写入数据
线程Thread-0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正在写入数据
Thread-1所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
java.util.concurrent.TimeoutException
Thread-2所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:257)
Thread-0所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
at com.lucifer.mutil.MyCyclicBarrier3$Writer.run(MyCyclicBarrier3.java:44)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at com.lucifer.mutil.MyCyclicBarrier3$Writer.run(MyCyclicBarrier3.java:44)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at com.lucifer.mutil.MyCyclicBarrier3$Writer.run(MyCyclicBarrier3.java:44)
线程Thread-3写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
Thread-3所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:207)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at com.lucifer.mutil.MyCyclicBarrier3$Writer.run(MyCyclicBarrier3.java:44)

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：

public class MyCyclicBarrier4 {
public static void main(String[] args){
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(4);

for (int i = 0; i < 4; i++) {
new Writer(barrier).start();
}

try {
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("CyclicBarrier重用");

for (int i = 0; i < 4; i++) {
new Writer(barrier).start();
}
}

static class Writer extends Thread {

private CyclicBarrier barrier;
public Writer(CyclicBarrier barrier) {
this.barrier = barrier;
}

@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在写入数据");
try {
Thread.sleep(2000);
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");
barrier.await();
} catch (Exception 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...");
}
}

}

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时候，而CountDownLatch无法进行重复使用。

3.Semaphore用法

Semaphore翻译成字面意思为 字面量， Semaphore可以控制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：

public Semaphore(int permits) {
...
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
...
}

下面说一下Semaphore类中比较重要的几个方法，首先是acquire()，release()方法：

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，直到获取许可

release()用来释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获得许可。

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：

// 尝试获得一个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire() {}
// 尝试获取一个许可，若在指定时间内获取成功，则立即返回true，否则立即返回false
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {}
// 尝试获取permits个许可，若在指定时间内获取成功，则立即返回true，否则立即返回fasle
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {}
// 尝试获取permits个许可，若获取成功，则立即返回true，否则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) {}

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

public class MySemaphore {
public static void main(String[] args){
Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
for (int i = 0; i < 8; 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();
}

}
}
}

执行结果：

工人0占用一个机器在生产...
工人4占用一个机器在生产...
工人3占用一个机器在生产...
工人2占用一个机器在生产...
工人1占用一个机器在生产...
工人0释放出机器
工人5占用一个机器在生产...
工人2释放出机器
工人3释放出机器
工人4释放出机器
工人1释放出机器
工人7占用一个机器在生产...
工人6占用一个机器在生产...
工人6释放出机器
工人5释放出机器
工人7释放出机器

总结:

1.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后，它才执行
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
另外，CountDownLatch是不能重用的，而CyclicBarrier是可以重用的

2.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