java并发编程之CountDownLatch与CyclicBarrier

Posted 2022-12-03 miaomiaoLoveCode

CountDownLatch和CyclicBarrier是jdk concurrent包下非常有用的两个并发工具类，它们提供了一种控制并发流程的手段。本文将会提供一些应用场景，结合源码，对它们的具体实现以及如何使用做一个具体分析。

CountDownLatch

CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

CountDownLatch使用案例

需求：解析一个文件下多个txt文件数据，可以考虑使用多线程并行解析以提高解析效率。每一个线程解析一个文件里的数据，等到所有数据解析完毕之后再进行其他操作。

设计分析：在这个需求中，需要实现主线程等待所有线程完成文件解析操作，CountDownLatch正好可以做到。

代码实现：

注：只给一个简单的架子，表明CountDownLatch的具体使用方式，txt文件解析在这里就不做详细的代码实现了。

• CountDownLatch声明：
  CountDownLatch的构造函数接受int型参数作为它的计数器，如果想等待N个点完成，就传入N；
• 调用CountDownLatch的countDown方法时，N会减1，CountDownLatch的await方法会阻塞主线程直到N减少到0。

CountDownLatch源码分析

CountDownLatch是自定义AQS同步组件，接下来就以自定义同步器Sync、countDown方法和await方法为切入点，分析CountDownLatch的具体实现。

• 自定义同步器Sync实现
  
  同步器Sync实现了共享式获取同步状态的acquire和release，前文中已经详细介绍过AQS相关内容，在这里我就不再做详细介绍分析了。

• 构造方法
  
  从构造方法的具体实现可以看出，通过构造方法传入的int型参数count其实就是同步器的状态。

• countDown实现
  
  整个countDown只做了一件事情，释放同步状态，同步状态在这里的实际意义也就是需要等待的完成的点的数量，只要每完成一个点，就调用countDown方法释放同步状态。

• await实现
  CountDownLatch提供带超时时间的await和不带超时时间的await：
  
  await的实质是在获取同步状态，同步状态state == 0成立，当前等待完成的点均已完成，主线程继续往下执行，否则，主线程进入等待队列自旋等待直到同步状态释放后state == 0。有些时候主线程是不能一直自旋等待，这个时候带超时时间的await就派上用场了，设置超时时间，如果在指定时间内N个点都未完成，返回false，主线程不再等待，继续往下执行。

总结：CountDownLatch实质上就是一个AQS计数器，通过AQS来实现线程的等待与唤醒。

CyclicBarrier

CyclicBarrier，让一组线程到达一个同步点后再一起继续运行，在其中任意一个线程未达到同步点，其他到达的线程均会被阻塞。

CyclicBarrier源码分析

• 构造方法
  CyclicBarrier提供两个构造方法CyclicBarrier(int parties)和CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)：
  

  • CyclicBarrier(int parties)
    默认构造方法，参数表示拦截的线程数量。

  • CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
    由于线程之前的调度是由CPU决定的，所以默认的构造方法无法设置线程执行优先级，CyclicBarrier提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于在线程到达同步点时，优先执行线程barrierAction，这样可以更加方便的处理一些负责的业务场景。

创建CyclicBarrier后，每个线程调用await方法告诉CyclicBarrier自己已经到达同步点，然后当前线程被阻塞。接下来我们来看看await方法的具体实现。

• await实现
  CyclicBarrier同样提供带超时时间的await和不带超时时间的await：
  
  整个await方法的核心是dowait方法的调用，我们来看看dowait的具体实现。

• dowait实现

  1. 在dowait的前段部分，主要完成了当所有线程都到达同步点（barrier）时，唤醒所有的等待线程，一起往下继续运行，可根据参数barrierAction决定优先执行的线程。
     

  2. 在dowait的实现后半部分，主要实现了线程未到达同步点（barrier）时，线程进入Condition自旋等待，直到等待超时或者所有线程都到达barrier时被唤醒。

  

  在整个dowait：

  1. 使用ReentrantLock保证每一次操作线程安全；
  2. 线程等待/唤醒使用Lock配合Condition来实现；
  3. 线程被唤醒的条件：等待超时或者所有线程都到达barrier。

到这里为止，CyclicBarrier的重要实现源码分析就结束了，接下来还是照样给出一个具体的使用案例，方便掌握CyclicBarrier的具体用法。

CyclicBarrier使用案例

需求：多线程计算数据，merge计算结果。

代码实现：

运行结果：

CyclicBarrier和CountDownLatch都可以实现线程等待，那么它俩之间的区别是什么呢？

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

看了各种资料和书，大家一致的意见都是CountDownLatch是计数器，只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器提供reset功能，可以多次使用。但是我不那么认为它们之间的区别仅仅就是这么简单的一点。我们来从jdk作者设计的目的来看，javadoc是这么描述它们的：

CountDownLatch: A synchronization aid that allows one or more threads to wait until a set of operations being performed in other threads completes.

CyclicBarrier : A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point.

从javadoc的描述可以得出：

• CountDownLatch：一个或者多个线程，等待其他多个线程完成某件事情之后才能执行；
• CyclicBarrier：多个线程互相等待，直到到达同一个同步点，再继续一起执行。

对于CountDownLatch来说，重点是“一个线程（多个线程）等待”，而其他的N个线程在完成“某件事情”之后，可以终止，也可以等待。而对于CyclicBarrier，重点是多个线程，在任意一个线程没有完成，所有的线程都必须等待。

CountDownLatch是计数器，线程完成一个记录一个，只不过计数不是递增而是递减，而CyclicBarrier更像是一个阀门，需要所有线程都到达，阀门才能打开，然后继续执行。