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Java並發程式設計：CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore

高洛峰
高洛峰
Oct 15, 2016 pm 02:03 PM

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
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  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
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  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();
        }
     }
}
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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
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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) {
}
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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 { }
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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...");
        }
    }
}
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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...
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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...");
        }
    }
}
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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...
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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...");
        }
    }
}
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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...
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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...");
        }
    }
}
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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...
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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);
}
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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
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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();
            }
        }
    }
}
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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
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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


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