JUC常用同步工具类——CountDownLatch，CyclicBarrier，Semaphore

Posted 2021-03-07 starry-skys

在 JUC 下包含了一些常用的同步工具类，今天就来详细介绍一下，CountDownLatch，CyclicBarrier，Semaphore 的使用方法以及它们之间的区别。

一、CountDownLatch

先看一下，CountDownLatch 源码的官方介绍。

意思是，它是一个同步辅助器，允许一个或多个线程一直等待，直到一组在其他线程执行的操作全部完成。

public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}

它的构造方法，会传入一个 count 值，用于计数。

常用的方法有两个：

public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);
}

当一个线程调用await方法时，就会阻塞当前线程。每当有线程调用一次 countDown 方法时，计数就会减 1。当 count 的值等于 0 的时候，被阻塞的线程才会继续运行。

现在设想一个场景，公司项目，线上出现了一个紧急 bug，被客户投诉，领导焦急的过来，想找人迅速的解决这个 bug 。

那么，一个人解决肯定速度慢啊，于是叫来张三和李四，一起分工解决。终于，当他们两个都做完了自己所需要做的任务之后，领导才可以答复客户，客户也就消气了（没办法啊，客户是上帝嘛）。

于是，我们可以设计一个 Worker 类来模拟单个人修复 bug 的过程，主线程就是领导，一直等待所有 Worker 任务执行结束，主线程才可以继续往下走。

public class CountDownTest {
    static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
        Worker w1 = new Worker("张三", 2000, latch);
        Worker w2 = new Worker("李四", 3000, latch);
        w1.start();
        w2.start();

        long startTime = System.currentTimeMillis();
        latch.await();
        System.out.println("bug全部解决，领导可以给客户交差了，任务总耗时： "+ (System.currentTimeMillis() - startTime));

    }

    static class Worker extends Thread{
        String name;
        int workTime;
        CountDownLatch latch;

        public Worker(String name, int workTime, CountDownLatch latch) {
            this.name = name;
            this.workTime = workTime;
            this.latch = latch;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(name+"开始修复bug，当前时间："+sdf.format(new Date()));
            doWork();
            System.out.println(name+"结束修复bug，当前时间： "+sdf.format(new Date()));
            latch.countDown();
        }

        private void doWork() {
            try {
                //模拟工作耗时
                Thread.sleep(workTime);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

本来需要 5 秒完成的任务，两个人 3 秒就完成了。我只能说，这程序员的工作效率真是太太太高了。

二、CyclicBarrier

barrier 英文是屏障，障碍，栅栏的意思。cyclic是循环的意思，就是说，这个屏障可以循环使用（什么意思，等下我举例子就知道了）。源码官方解释是：

A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point . The barrier is called cyclic because it can be re-used after the waiting threads are released.

一组线程会互相等待，直到所有线程都到达一个同步点。这个就非常有意思了，就像一群人被困到了一个栅栏前面，只有等最后一个人到达之后，他们才可以合力把栅栏（屏障）突破。

CyclicBarrier 提供了两种构造方法:

public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

第一个构造的参数，指的是需要几个线程一起到达，才可以使所有线程取消等待。第二个构造，额外指定了一个参数，用于在所有线程达到屏障时，优先执行 barrierAction。

现在模拟一个常用的场景，一组运动员比赛 1000 米，只有在所有人都准备完成之后，才可以一起开跑（额，先忽略裁判吹口哨的细节）。

定义一个 Runner 类代表运动员，其内部维护一个共有的 CyclicBarrier，每个人都有一个准备时间，准备完成之后，会调用 await 方法，等待其他运动员。 当所有人准备都 OK 时，就可以开跑了。

public class BarrierTest {
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);  //①
        Runner runner1 = new Runner(barrier, "张三");
        Runner runner2 = new Runner(barrier, "李四");
        Runner runner3 = new Runner(barrier, "王五");

        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);
        service.execute(runner1);
        service.execute(runner2);
        service.execute(runner3);

        service.shutdown();

    }

}


class Runner implements Runnable{

    private CyclicBarrier barrier;
    private String name;

    public Runner(CyclicBarrier barrier, String name) {
        this.barrier = barrier;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            //模拟准备耗时
            Thread.sleep(new Random().nextInt(5000));
            System.out.println(name + ":准备OK");
            barrier.await();
            System.out.println(name +": 开跑");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

可以看到，我们已经实现了需要的功能。但是，有的同学就较真了，说你这不行啊，哪有运动员都准备好之后就开跑的，你还把裁判放在眼里吗，裁判不吹口哨，你敢跑一个试试。

好吧，也确实是这样一个理儿，那么，我们就实现一下，让裁判吹完口哨之后，他们再一起开跑吧。

这里就要用到第二个构造函数了，于是我把代码 ① 处稍微修改一下。

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("等裁判吹口哨...");
            //这里停顿两秒更便于观察线程执行的先后顺序
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("裁判吹口哨->>>>>");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});

执行结果:

张三:准备OK
李四:准备OK
王五:准备OK
等裁判吹口哨...
裁判吹口哨->>>>>
张三: 开跑
李四: 开跑
王五: 开跑

可以看到，虽然三个人都已经准备 OK了，但是，只有裁判吹完口哨之后，他们才可以开跑。

刚才，提到了循环利用是怎么体现的呢。 我现在把屏障值改为 2，然后增加一个“赵六” 一起参与赛跑。被修改的部分如下:

此时观察，打印结果:

张三:准备OK
李四:准备OK
等裁判吹口哨...
裁判吹口哨->>>>>
李四: 开跑
张三: 开跑
王五:准备OK
赵六:准备OK
等裁判吹口哨...
裁判吹口哨->>>>>
赵六: 开跑
王五: 开跑

发现没，可以分两批，第一批先跑两个人，然后第二批再跑两个人。也就是屏障的循环使用。

三、Semaphore

Semaphore 信号量，用来控制同一时间，资源可被访问的线程数量，一般可用于流量的控制。

打个比方，现在有一段公路交通比较拥堵，那怎么办呢。此时，就需要警察叔叔出面，限制车的流量。

比如，现在有 20 辆车要通过这个地段， 警察叔叔规定同一时间，最多只能通过 5 辆车，其他车辆只能等待。只有拿到许可的车辆可通过，等车辆通过之后，再归还许可，然后把它发给等待的车辆，获得许可的车辆再通行，依次类推。

public class SemaphoreTest {
    private static int count = 20;

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(count);

        //指定最多只能有五个线程同时执行
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5);

        Random random = new Random();
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            final int no = i;
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        //获得许可
                        semaphore.acquire();
                        System.out.println(no +":号车可通行");
                        //模拟车辆通行耗时
                        Thread.sleep(random.nextInt(2000));
                        //释放许可
                        semaphore.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }

        executorService.shutdown();

    }
}

打印结果我就不写了，需要读者自行观察，就会发现，第一批是五个车同时通行。然后，后边的车才可以依次通行，但是同时通行的车辆不能超过 5 辆。

细心的读者，就会发现，这许可一共就发 5 个，那等第一批车辆用完释放之后， 第二批的时候应该发给谁呢？

这确实是一个问题。所有等待的车辆都想先拿到许可，先通行，怎么办。这就需要，用到锁了。就所有人都去抢，谁先抢到，谁就先走呗。

我们去看一下 Semaphore的构造函数，就会发现，可以传入一个 boolean 值的参数，控制抢锁是否是公平的。

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

默认是非公平，可以传入 true 来使用公平锁。（锁的机制是通过AQS，现在不细讲，等我以后更新哦）

这里简单的说一下，什么是公平非公平吧。

公平的话，就是你车来了，就按照先来后到的顺序正常走就行了。不公平的，也许就是，某位司机大哥膀大腰圆，手戴名表，脖子带粗金项链。别人一看惹不起，我还躲不起吗，都给这位大哥让道。你就算车走在人家前面了，你也不敢跟人家抢啊。

最后，那就是他先拿到许可证通行了。剩下的人再去抢，说不定又来一个，是警察叔叔的私交好友。（行吧行吧，其他司机只能一脸的生无可恋，怎么过个马路都这么费劲啊。。。）

总结

1. CountDownLatch 是一个线程等待其他线程， CyclicBarrier 是多个线程互相等待。
2. CountDownLatch 的计数是减 1 直到 0，CyclicBarrier 是加 1，直到指定值。
3. CountDownLatch 是一次性的， CyclicBarrier 可以循环利用。
4. CyclicBarrier 可以在最后一个线程达到屏障之前，选择先执行一个操作。
5. Semaphore ，需要拿到许可才能执行，并可以选择公平和非公平模式。

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