Java中的并发工具类：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

　在java 1.5中，提供了一些很是有用的辅助类来帮助咱们进行并发编程，好比CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore，今天咱们就来学习一下这三个辅助类的用法。　　

一.CountDownLatch用法

　　CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，容许一个或多个线程等待其余线程完成操做，利用它能够实现相似计数器的功能。好比有一个任务A，它要等待其余4个任务执行完毕以后才能执行，虽然join()方法也能够实现相似功能，但CountDownLatch比join的功能更多。

　　CountDownLatch类只提供了一个构造器：

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

　　而后下面这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()相似，只不过等待必定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
public void countDown() { };  //将count值减1 

　　下面看一个例子你们就清楚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(); } } } 

　　执行结果：

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 

注意：计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是零，调用await方法时不会阻塞当前线程。CountDownLatch不可能从新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数器的值。一个线程调用countDown方法happen-before另一个线程调用await方法。

CountDownLatch的实现原理：CountDownLatch是经过“共享锁”实现的。在建立CountDownLatch时，会传递一个int类型参数count，该参数是“锁计数器”的初始状态，表示该“共享锁”最多能被count个线程同时获取。当某线程调用该CountDownLatch对象的await()方法时，该线程会等待“共享锁”可用时，才能获取“共享锁”进而继续运行。而“共享锁”可用的条件，就是“锁计数器”的值为0！而“锁计数器”的初始值为count，每当一个线程调用该CountDownLatch对象的countDown()方法时，才将“锁计数器”-1；经过这种方式，必须有count个线程调用countDown()以后，“锁计数器”才为0，而前面提到的等待线程才能继续运行！

二.CyclicBarrier用法

　　字面意思回环栅栏，经过它能够实现让一组线程等待至某个状态以后再所有同时执行。叫作回环是由于当全部等待线程都被释放之后，CyclicBarrier能够被重用。咱们暂且把这个状态就叫作barrier，当调用await()方法以后，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。

　　而后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 { }; 

　　第一个版本比较经常使用，用来挂起当前线程，直至全部线程都到达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必定的时间，若是还有线程没有到达barrier状态就直接让到达barrier的线程执行后续任务。

　　下面举几个例子就明白了：

　　倘若有若干个线程都要进行写数据操做，而且只有全部线程都完成写数据操做以后，这些线程才能继续作后面的事情，此时就能够利用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("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做
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其余线程写入完毕"); cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }catch(BrokenBarrierException e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("全部线程写入完毕，继续处理其余任务..."); } } } 

　　执行结果：

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，等待其余线程写入完毕 线程Thread-0写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-3写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-1写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 

　　从上面输出结果能够看出，每一个写入线程执行完写数据操做以后，就在等待其余线程写入操做完毕。

　　当全部线程线程写入操做完毕以后，全部线程就继续进行后续的操做了。

　　若是说想在全部线程写入操做完以后，进行额外的其余操做能够为CyclicBarrier提供Runnable参数：

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做
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其余线程写入完毕"); cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }catch(BrokenBarrierException e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("全部线程写入完毕，继续处理其余任务..."); } } } 

　　运行结果：

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，等待其余线程写入完毕 线程Thread-1写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-2写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-3写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 当前线程Thread-3 全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 

　　从结果能够看出，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。

 　　下面看一下为await指定时间的效果：

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("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做
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其余线程写入完毕"); 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()+"全部线程写入完毕，继续处理其余任务..."); } } } 

　　执行结果：

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，等待其余线程写入完毕 线程Thread-0写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-1写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-3正在写入数据... java.util.concurrent.TimeoutException Thread-1全部线程写入完毕，继续处理其余任务... Thread-0全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 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$Writer.run(Test.java:58) Thread-2全部线程写入完毕，继续处理其余任务... java.util.concurrent.BrokenBarrierException 线程Thread-3写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source) at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source) at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58) Thread-3全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 

　　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，由于在前面三个线程都达到barrier以后，等待了指定的时间发现第四个线程尚未达到barrier，就抛出异常并继续执行后面的任务。

　　另外CyclicBarrier是能够重用的，看下面这个例子：

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("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做
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其余线程写入完毕"); cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }catch(BrokenBarrierException e){ e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"全部线程写入完毕，继续处理其余任务..."); } } } 

　　执行结果：

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，等待其余线程写入完毕 线程Thread-3写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-2写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-0写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 Thread-0全部线程写入完毕，继续处理其余任务... Thread-3全部线程写入完毕，继续处理其余任务... Thread-1全部线程写入完毕，继续处理其余任务... Thread-2全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 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，等待其余线程写入完毕 线程Thread-5写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-6写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 线程Thread-4写入数据完毕，等待其余线程写入完毕 Thread-4全部线程写入完毕，继续处理其余任务... Thread-5全部线程写入完毕，继续处理其余任务... Thread-6全部线程写入完毕，继续处理其余任务... Thread-7全部线程写入完毕，继续处理其余任务... 

　　从执行结果能够看出，在初次的4个线程越过barrier状态后，又能够用来进行新一轮的使用。而CountDownLatch没法进行重复使用。

三.Semaphore用法

　　Semaphore翻译成字面意思为 信号量，Semaphore能够控同时访问的线程个数，经过 acquire() 获取一个许可，若是没有就等待，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，即同时能够容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表示是不是公平的，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，若无许可可以得到，则会一直等待，直到得到许可。

　　release()用来释放许可。注意，在释放许可以前，必须先获得到许可。

　　这4个方法都会被阻塞，若是想当即获得执行结果，可使用下面几个方法：

public boolean tryAcquire() { };    //尝试获取一个许可，若获取成功，则当即返回true，若获取失败，则当即返回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，则当即返回true，不然则当即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; //尝试获取permits个许可，若获取成功，则当即返回true，若获取失败，则当即返回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，则当即返回true，不然则当即返回false 

　　另外还能够经过availablePermits()方法获得可用的许可数目。

　　下面经过一个例子来看一下Semaphore的具体使用：

　　倘若一个工厂有5台机器，可是有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，其余工人才能继续使用。那么咱们就能够经过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都可以实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不一样：

　　　　CountDownLatch通常用于某个线程A等待若干个其余线程执行完任务以后，它才执行；

　　　　而CyclicBarrier通常用于一组线程互相等待至某个状态，而后这一组线程再同时执行；

　　　　另外，CountDownLatch是不可以重用的，而CyclicBarrier是能够重用的。

　　2）Semaphore其实和锁有点相似，它通常用于控制对某组资源的访问权限。

参考资料

Java并发编程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore：https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920397.html

Java多线程系列--“JUC锁”09之 CountDownLatch原理和示例：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3533887.html#a1