Java並發程式設計：CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore
- 高洛峰原創
- 2016-10-15 14:03:231956瀏覽
在java 1.5中，提供了一些非常有用的輔助類別來幫助我們進行並發編程，例如CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore，今天我們就來學習一下這三個輔助類別的用法。
以下是本文目錄大綱：
一.CountDownLatch用法
二.CyclicBarrier用法
三.Semaphore用法
一.CountDownLatch
三.Semaphore用法一.CountDownLatch。計數器的功能。例如有一個任務A，它要等待其他4個任務執行完畢之後才能執行，此時就可以利用CountDownLatch來實現這種功能了。 CountDownLatch類別只提供了一個建構器：public CountDownLatch(int count) { }; //参数count为计数值 然後下面這3個方法是CountDownLatch類別中最重要的方法：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才继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };
//和await()类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
public void countDown() { }; //将count值减1 下面看一個例子就清楚CountDownLatchr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");
latch.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
};
}.start();
new Thread(){
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");
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();
}
}
}字面意思回環柵欄，透過它可以實現讓一組執行緒等待至某個狀態之後再全部同時執行。叫做回環是因為當所有等待線程都被釋放以後，CyclicBarrier可以被重複使用。我們暫且把這個狀態就叫做barrier，當呼叫await()方法之後，線程就處於barrier了。
CyclicBarrier類別位於java.util.concurrent套件下，CyclicBarrier提供2個建構器：
线程Thread-0正在执行 线程Thread-1正在执行 等待2个子线程执行完毕... 线程Thread-0执行完毕 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
參數parties指讓多少個執行緒或任務等待至barrier狀態；參數barrierAction為當這些執行緒都達到barrier狀態時會執行至barrier狀態時會執行barrierAction為當這些執行緒都達到barrier狀態時會執行至barrierAction為當這些執行緒都達到barrier狀態時會執行到barrierAction為當這些執行緒都達到barrier的內容。
然後CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法，它有2個重載版本：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
}
public CyclicBarrier(int parties) {
}第一個版本比較常用，用來掛起當前線程，直至所有線程都到達barrier狀態再同時執行後續任務；
第二個版本是讓這些執行緒等待至一定的時間，如果還有執行緒沒有到達barrier狀態就直接讓到達barrier的執行緒執行後續任務。
下面舉幾個例子就明白了：
假若有若干個線程都要進行寫數據操作，並且只有所有線程都完成寫數據操作之後，這些線程才能繼續做後面的事情，此時就可以利用CyclicBarrier了：
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };
public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { }執行結果：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
int N = 4;
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N);
for(int i=0;i<N;i++)
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("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作
System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
cyclicBarrier.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...");
}
}
}從上面輸出結果可以看出，每個寫入執行緒執行完寫資料操作之後，就在等待其他執行緒寫入操作完畢。
當所有執行緒執行緒寫入操作完畢之後，所有執行緒就繼續進行後續的操作了。
如果說想在所有執行緒寫入操作完之後，進行額外的其他操作可以為CyclicBarrier提供Runnable參數：
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-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...
運行結果：
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("当前线程"+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("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作
System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
cyclicBarrier.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...");
}
}
}從結果可以看出，當四個執行緒都到達barrier狀態後，會從四個執行緒中選擇一個執行緒去執行Runnable。
下面看一下為await指定時間的效果：
线程Thread-0正在写入数据... 线程Thread-1正在写入数据... 线程Thread-2正在写入数据... 线程Thread-3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写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 当前线程Thread-3 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...
執行結果：
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("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作
System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
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()+"所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
}
}
}上面的程式碼在main方法的for循環中，故意讓最後一個執行緒啟動延遲，因為在前面三個執行緒都達到barrier之後，等待了指定的時間發現第四個線程還沒有達到barrier，就拋出異常並繼續執行後面的任務。
另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面這個例子：
线程Thread-0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-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-1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...
java.util.concurrent.TimeoutException
Thread-1所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
Thread-0所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
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$Writer.run(Test.java:58)
Thread-2所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)
at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)
Thread-3所有线程写入完毕，继续处理其他任务...執行結果：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
int N = 4;
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N);
for(int i=0;i<N;i++) {
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("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作
System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}catch(BrokenBarrierException 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...");
}
}
}從執行結果可以看出，在初次的4個線程越過barrier狀態後，又可以用來進行新一輪的使用。而CountDownLatch無法進行重複使用。
三.Semaphore用法
Semaphore翻譯成字面意思為 信號量，Semaphore可以控同時訪問的線程個數，透過 acquire() 取得一個許可，如果沒有就等待，而 release() 釋放一個許可。
Semaphore類別位於java.util.concurrent包下，它提供了2個構造器：
线程Thread-0正在写入数据... 线程Thread-1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-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 Thread-0所有线程写入完毕，继续处理其他任务... Thread-3所有线程写入完毕，继续处理其他任务... Thread-1所有线程写入完毕，继续处理其他任务... Thread-2所有线程写入完毕，继续处理其他任务... CyclicBarrier重用 线程Thread-4正在写入数据... 线程Thread-5正在写入数据... 线程Thread-6正在写入数据... 线程Thread-7正在写入数据... 线程Thread-7写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 线程Thread-5写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 线程Thread-6写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 线程Thread-4写入数据完毕，等待其他线程写入完毕 Thread-4所有线程写入完毕，继续处理其他任务... Thread-5所有线程写入完毕，继续处理其他任务... Thread-6所有线程写入完毕，继续处理其他任务... Thread-7所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
下面說一下Semaphore類別中比較重要的幾個方法，首先是acquire()、release()方法：
public Semaphore(int permits) { //参数permits表示许可数目，即同时可以允许多少线程进行访问
sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) { //这个多了一个参数fair表示是否是公平的，即等待时间越久的越先获取许可
sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
} acquire()用來取得一個許可，若無許可能夠取得，則會一直等待，直到獲得許可。
release()用來釋放許可。注意，在釋放許可之前，必須先獲得許可。
這4個方法都會被阻塞，如果想立即得到執行結果，可以使用下面幾個方法：
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() { } //释放一个许可
public void release(int permits) { } //释放permits个许可另外還可以透過availablePermits()方法得到可用的許可數目。
下面透過一個例子來看Semaphore的具體使用：
假若一个工厂有5台机器，但是有8个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用。那么我们就可以通过Semaphore来实现：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
int N = 8; //工人数
Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目
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+"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1占用一个机器在生产... 工人2占用一个机器在生产... 工人4占用一个机器在生产... 工人5占用一个机器在生产... 工人0释放出机器 工人2释放出机器 工人3占用一个机器在生产... 工人7占用一个机器在生产... 工人4释放出机器 工人5释放出机器 工人1释放出机器 工人6占用一个机器在生产... 工人3释放出机器 工人7释放出机器 工人6释放出机器
下面对上面说的三个辅助类进行一个总结：
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之后，它才执行；
而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是不能够重用的，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。
参考资料：
《Java编程思想》
http://www.itzhai.com/the-introduction-and-use-of-a-countdownlatch.html
http://leaver.me/archives/3220.html
http://developer.51cto.com/art/201403/432095.htm
http://blog.csdn.net/yanhandle/article/details/9016329
http://blog.csdn.net/cutesource/article/details/5780740
http://www.cnblogs.com/whgw/archive/2011/09/29/2195555.html