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Java并发编程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

2017-06-06 2140
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简介： 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。

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。

　　请尊重作者劳动成果，转载请标明原文链接：

　　http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920397.html

　　

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：

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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：

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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：

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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：

复制代码 
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
复制代码

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：

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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：

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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();
     }
     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：

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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：

复制代码 
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...
复制代码

　　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：

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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++) {
             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：

复制代码 
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...
复制代码

　　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：

  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：

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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：

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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：

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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：

复制代码 
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
复制代码

　　

　　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》

文章标签：
Java
关键词：
Java编程
Java并发编程
Java CountDownLatch
Java CyclicBarrier
Java编程cyclicbarrier
舒琪
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本文深入探讨了Java编程语言中多线程编程的基础知识和并发控制机制。文章首先介绍了多线程的基本概念，包括线程的定义、生命周期以及在Java中创建和管理线程的方法。接着，详细讲解了Java提供的同步机制，如synchronized关键字、wait()和notify()方法等，以及如何通过这些机制实现线程间的协调与通信。最后，本文还讨论了一些常见的并发问题，例如死锁、竞态条件等，并提供了相应的解决策略。
mg的嘟嘟
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Java开发者
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27天前
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缓存 Java 开发者
Java多线程并发编程：同步机制与实践应用
本文深入探讨Java多线程中的同步机制，分析了多线程并发带来的数据不一致等问题，详细介绍了`synchronized`关键字、`ReentrantLock`显式锁及`ReentrantReadWriteLock`读写锁的应用，结合代码示例展示了如何有效解决竞态条件，提升程序性能与稳定性。
Java开发者
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Java开发者
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26天前
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开发框架 安全 Java
Java 反射机制：动态编程的强大利器
Java反射机制允许程序在运行时检查类、接口、字段和方法的信息，并能操作对象。它提供了一种动态编程的方式，使得代码更加灵活，能够适应未知的或变化的需求，是开发框架和库的重要工具。
Java开发者
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