Java并发编程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

xiaoxiao2023-12-27 166

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

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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：

1 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：

1 2 3 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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 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：

1 2 3 4 5 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：

1 2 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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 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：

View Code

　　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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 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：

View Code

　　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：

1 2 3 4 5 6 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：

1 2 3 4 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：

1 2 3 4 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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 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》

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

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