Java并发编程：CountDownLatch与CyclicBarrier和Semaphore的实例详解

java并发编程：countdownlatch与cyclicbarrier和semaphore的实例详解

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，今天我们就来学习一下这三个辅助类的用法。

以下是本文目录大纲：

一.countdownlatch用法
二.cyclicbarrier用法
三.semaphore用法

若有不正之处请多多谅解，并欢迎批评指正。

一.countdownlatch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个任务执行完毕之后才能执行，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

下面看一个例子大家就清楚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

二.cyclicbarrier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。

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。

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数据操作之后，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 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...");
    }
  }
}

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。

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 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...");
    }
  }
}

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...

从结果可以看出，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...");
    }
  }
}

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...

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：

/**
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 */
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...");
    }
  }
}

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...

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使用。而countdownlatch无法进行重复使用。

三.semaphore用法

semaphore翻译成字面意思为 信号量，semaphore可以控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) {     //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：

/**
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 */
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。

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