Java高并发（一）- 并发编程的几个基本概念
Java高并发（二） - Java 内存模型与线程
Java高并发（三） - CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore
Java高并发（四） - Java 原子类详解
Java高并发（五） - 线程安全策略
Java高并发（六） - 锁的优化及 JVM 对锁优化所做的努力

在 java 1.5 中，提供了一些非常有用的辅助类来帮助我们进行并发编程，比如 CountDownLatch，CyclicBarrier和 Semaphore。

一、CountDownLatch 用法

CountDownLatch 类位于 java.util.concurrent 包下，CountDownLatch 英文意为倒计时器，Latch 为门闩的意思。如果翻译成倒计数门闩，表示：把门锁起来，不让里面的线程跑出来。因此这个类用来控制线程等待，可以让某个线程等待直到倒计时结束，再开始执行。

比如：火箭发射场景中，在火箭发射前，为保证万无一失，往往要进行各项设备，仪器检测，只有等所有检查完毕后，引擎才能点火。这种场景就适合 CountDownLatch，它可以使得点火线程等待所有线程检查完毕之后再执行。

CountDownLatch 火箭发射场景

计数器的值为 3，线程 A 调用了 await() 之后，线程 A 就进入了等待状态，对其他线程每次执行 countDown() 方法时，计数器就会执行减 1 操作，当计数减为 0 时，线程 A 继续执行。

CountDownLatch 执行过程

CountDownLatch 类只提供了一个构造器：

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

然后下面这 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

CountDownLatch 的用法

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchTest {

    public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
        new Thread() {
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在执行");
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 执行完毕");
                    latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            };
        }.start();
        
        new Thread() {
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在执行");
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(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();
        }
    }
}
//---------------------------运行结果----------------------
Thread-0 正在执行
Thread-1 正在执行
等待2个子线程执行完毕...
Thread-0 执行完毕
Thread-1 执行完毕
2个子线程已经执行完毕
继续执行主线程

二、CyclicBarrier 的用法

字面意思回环栅栏，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就叫做 barrier，当调用 await() 方法之后，线程就处于 barrier 了。

比如：司令下达命令，要求 10 个士兵一起去完成一项任务，这时，就要求 10 个士兵先集合报道，然后一起去执行任务，当 10 个士兵把任务都执行完毕，司令才能对外宣布任务完成。

集合完毕后，代表一次计数完成，当再次调用 await() 时，会进行下一次计数，因此，CyclicBarrier 可被重用。

CyclicBarrier 士兵执行任务场景

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，直至所有线程都到达 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间，如果还有线程没有到达 barrier 状态就直接让到达 barrier 的线程执行后续任务。

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4);
        for(int i=0;i<4;i++) {
            new Writer(cyclicBarrier).start();
        }
    }

}
class Writer extends Thread{
    private CyclicBarrier cyclicBarrier;
    public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
        this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写入数据...");
        try {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写入数据完毕，等待其他线程写入...");
            cyclicBarrier.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 线程写入完毕，继续执行其他任务");
    }
}
//---------------------------运行结果----------------------
//每个写入线程执行完写数据操作之后，就在等待其他线程写入操作完毕。
//当所有线程线程写入操作完毕之后，所有线程就继续进行后续的操作了。
Thread-1 正在写入数据...
Thread-2 正在写入数据...
Thread-0 正在写入数据...
Thread-3 正在写入数据...
Thread-1 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-3 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-0 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-2 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-2 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-3 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-0 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-1 线程写入完毕，继续执行其他任务

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：

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = 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(cyclicBarrier).start();
        }
    }

}
class Writer extends Thread{
    private CyclicBarrier cyclicBarrier;
    public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
        this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写入数据...");
        try {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写入数据完毕，等待其他线程写入...");
            cyclicBarrier.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 线程写入完毕，继续执行其他任务");
    }
}
//---------------------------运行结果----------------------
//当四个线程都到达 barrier 状态后，会从四个线程中选择一个线程去执行 Runnable。
Thread-2 正在写入数据...
Thread-0 正在写入数据...
Thread-3 正在写入数据...
Thread-1 正在写入数据...
Thread-0 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-2 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-3 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-1 写入数据完毕，等待其他线程写入...
当前线程 Thread-1
Thread-1 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-2 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-0 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-3 线程写入完毕，继续执行其他任务

下面看一下为 await 指定时间的效果：

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;
public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = 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++) {
            if (i<3) {
                new Writer(cyclicBarrier).start();
            }else {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                new Writer(cyclicBarrier).start();
            }
        }
    }
}
class Writer extends Thread{
    private CyclicBarrier cyclicBarrier;
    public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
        this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写入数据...");
        try {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写入数据完毕，等待其他线程写入...");
            cyclicBarrier.await(2000,TimeUnit.MICROSECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (TimeoutException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 线程写入完毕，继续执行其他任务");
    }
}
//---------------------------运行结果----------------------
//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。
Thread-0 正在写入数据...
Thread-1 正在写入数据...
Thread-2 正在写入数据...
Thread-1 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-2 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-0 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-3 正在写入数据...
java.util.concurrent.TimeoutException
Thread-1 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-2 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-0 线程写入完毕，继续执行其他任务
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:257)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
    at offer.Writer.run(CyclicBarrierTest.java:45)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
    at offer.Writer.run(CyclicBarrierTest.java:45)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
    at offer.Writer.run(CyclicBarrierTest.java:45)
Thread-3 写入数据完毕，等待其他线程写入...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:207)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
    at offer.Writer.run(CyclicBarrierTest.java:45)
Thread-3 线程写入完毕，继续执行其他任务

检测 CyclicBarrier 是否重用

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4);
        for(int i=0;i<4;i++) {
            new Writer(cyclicBarrier).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("CyclicBarrier重用");
        for(int i=0;i<4;i++) {
            new Writer(cyclicBarrier).start();
        }
    }

}
class Writer extends Thread{
    private CyclicBarrier cyclicBarrier;
    public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
        this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写入数据...");
        try {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写入数据完毕，等待其他线程写入...");
            cyclicBarrier.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 线程写入完毕，继续执行其他任务");
    }
}
//---------------------------运行结果----------------------
//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使用。而CountDownLatch 无法进行重复使用。
Thread-0 正在写入数据...
Thread-1 正在写入数据...
Thread-2 正在写入数据...
Thread-3 正在写入数据...
Thread-0 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-3 写入数据完毕，等待其他线程写入...
CyclicBarrier重用
Thread-2 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-1 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-4 正在写入数据...
Thread-5 正在写入数据...
Thread-1 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-3 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-0 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-6 正在写入数据...
Thread-7 正在写入数据...
Thread-2 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-4 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-6 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-7 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-5 写入数据完毕，等待其他线程写入...
Thread-5 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-6 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-4 线程写入完毕，继续执行其他任务
Thread-7 线程写入完毕，继续执行其他任务

三、Semaphore 用法

Semaphore 翻译成字面意思为 信号量，广义上说，信号量是对锁的扩展，无论是内部锁 synchronized 还是重入锁 ReentrantLock，一次都只允许一个线程访问一个资源，而信号量却可以指定多个线程同时访问一个资源，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) {
    //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);
}

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() { } //释放一个许可
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，直到获得许可。

release() 用来释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。

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：

public boolean tryAcquire() { };
//尝试获取一个许可，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(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  
//尝试获取一个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回 true，否则则立即返回 false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; 
//尝试获取 permits 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(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; 
//尝试获取 permits 个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回 true，否则则立即返回 false

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：

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：

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class SemaphoreTest {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 8;  //8 个工人
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
        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();
            }
        }
    }
}
//---------------------------运行结果----------------------
//刚开始 5 个工人占用了 5 台机器，随后其他工人进入等待，当有工人释放机器之后，等待的工人才获得机器使用权
工人 0 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 4 占用一个机器在生产...
工人 3 占用一个机器在生产...
工人 4 释放出机器
工人 2 释放出机器
工人 5 占用一个机器在生产...
工人 0 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 3 释放出机器
工人 7 释放出机器
工人 5 释放出机器
工人 6 释放出机器

四、总结

下面对上面说的三个辅助类进行一个总结：

• 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。

• 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：

https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920397.html

《实战 Java 高并发程序设计》