CountDownLatch/CyclicBarrier/Semaphore 使用过吗？

CountDownLatch/CyclicBarrier/Semaphore 使用过吗？下面详细介绍用法：

一，（等待多线程完成的）CountDownLatch

背景;

countDownLatch（同步援助）是在java1.5被引入，跟它一起被引入的工具类还有CyclicBarrier(同步援助)、Semaphore(计数信号量)、concurrentHashMap和BlockingQueue（阻塞队列）。
存在于java.util.cucurrent包下。

概念理解：

让一些线程阻塞，直到另外一些线程完成一系列操作后才被唤醒。

主要方法介绍

通过一个计数器来实现的，计数器的初始值是线程的数量。await方法会被阻塞，每当一个线程执行完毕后，countDown方法会让计数器的值-1，不会阻塞，当计数器的值为0时，表示其他线程都执行完毕后，调用await方法的线程会被唤醒，继续执行。

源码：

(1)，countDownLatch类中只提供了一个构造器：

CountDownLatch(int count)

构造一个 CountDownLatch初始化与给定的数。

（2）类中有三个方法是最重要的：

//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 void await() 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 boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };

//将count值减1

public void countDown() { };

使用举例：

 public static void CountDownLatchUsed() throws InterruptedException {

        CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(6);

        for (int i = 0; i < 6; i++) {

          new Thread(()->{

      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 下自习走人");

                downLatch.countDown();

            },String.valueOf(i)).start();

        }

        downLatch.await();

    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"自习室关门走人");

    }

运行结果：

小结：CountDownLatch和CyclicBarrier区别：

countDownLatch是一个计数器，线程完成一个记录一个，计数器递减，只能使用一次。

CyclicBarrier的计数器更像一个阀门，需要所有线程都到达，然后继续执行，计数器从0开始递增，同时提供reset()方法初始化计数值，可以多次使用。

了解更多：https://blog.csdn.net/chenssy/article/details/49794141#commentBox

二，（同步屏障）CyclicBarrier

概念理解：

CyclicBarrier字面上就是可循环使用的屏障。当一组线程得到一个屏障（同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会打开，所有被屏障拦截的线程才会继续工作。进入屏障通过await方法。

主要方法介绍：

CyclicBarrier的内部是使用重入锁ReentrantLock和Condition。它有两个构造函数：

CyclicBarrier(int parties)：创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的线程处于等待状态时启动，但它不会在启动 barrier 时执行预定义的操作。（直到到达屏障时才会去执行）

CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)：创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的线程处于等待状态时启动，并在启动 barrier 时执行给定的屏障操作，该操作由最后一个进入 barrier 的线程执行。

说明:

（1）parties:拦截线程的数量：

（2）barrierAction：为CyclicBarrier接收的Runnable命令，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction ，用于处理更加复杂的业务场景。

源码：

  private void breakBarrier() {

        generation.broken = true;

        count = parties;

        trip.signalAll();

    }

  public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {

        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();

        this.parties = parties;

        this.count = parties;

        this.barrierCommand = barrierAction;

    }

在CyclicBarrier中最重要的方法莫过于await()方法，在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前，将一直等待。如下：

 public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {

        try {

            return dowait(false, 0L);

        } catch (TimeoutException toe) {

            throw new Error(toe); // cannot happen

        }

    }

await()方法内部调用dowait(boolean timed, long nanos)方法：

其实await()的处理逻辑还是比较简单的：如果该线程不是到达的最后一个线程，则他会一直处于等待状态，除非发生以下情况：

最后一个线程到达，即index == 0

超出了指定时间（超时等待）

其他的某个线程中断当前线程

其他的某个线程中断另一个等待的线程

其他的某个线程在等待barrier超时

其他的某个线程在此barrier调用reset()方法。reset()方法用于将屏障重置为初始状态。

应用场景：

CyclicBarrier试用与多线程结果合并的操作，用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。比如我们需要统计多个Excel中的数据，然后等到一个总结果。我们可以通过多线程处理每一个Excel，执行完成后得到相应的结果，最后通过barrierAction来计算这些线程的计算结果，得到所有Excel的总和。

应用实例：

比如开会要等所有人到齐了，才会开会：

public class BlockQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {

        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4, new Runnable() {

            @Override

            public void run() {

                System.out.println("所有人都到齐了吧，咱们开会。。。");

            }

        });

        for (int i = 1; i <= 4; i++) {

            final int tempInt = i;

            new Thread(() -> {

                try {

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + tempInt + "已到位");

                    cyclicBarrier.await();

                } catch (InterruptedException e) {

                    e.printStackTrace();

                } catch (BrokenBarrierException e) {

                    e.printStackTrace();

                }

            }, String.valueOf(i)).start();

        }

    }

}

运行结果：

了解更多：https://blog.csdn.net/chenssy/article/details/70160595

三，（控制并发线程数的）Semaphore

概念理解：

信号量Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器，它本质上是一个“共享锁”。

理论知识：

（1） Java并发提供了两种加锁模式，共享锁和独占锁。对于独占锁,他每次只能有一个线程持有，而共享锁则不同，它允许多个线程并行持有锁，并发的访问共享资源。

（2）独占锁采用的是一种悲观的加锁策略，对于写而言为冲突是必须的，但对于读而言可以进行共享，因为它不印象数据的一致性，如果某个只读线程获取独占锁，则其他读线程都只能等待了，这种情况下就限制了不必要的并发性，降低了吞吐量。而共享锁则不同，它放宽了加锁的条件，采用了乐观锁机制，它是允许多个读线程同时访问同一个共享资源的。

Semaphore官方解释：

一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。

（3）Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。

CountDownLatch和Semephore优缺点对比

CountDownLatch的问题是不能复用。比如count=3，那么加到3，就不能继续操作了。而Semaphore可以解决这个问题，比如6辆车3个停车位，对于CountDownLatch只能停3辆车，而Semaphore可以停6辆车，车位空出来后，其它车可以占有，这就涉及到了Semaphore.accquire()和Semaphore.release()方法。

生活实例版本解释：

我们假设只有三个理发师、一个接待人。一开始来了五个客人，接待人则安排三个客人进行理发，其余两个人必须在那里等着，此后每个来理发店的人都必须等待。一段时间后，一个理发师完成理发后，接待人则安排另一个人（公平还是非公平机制呢？？）来理发。在这里理发师则相当于公共资源，接待人则相当于信号量（Semaphore），客户相当于线程。

深入理解：

进一步讲，我们确定信号量Semaphore是一个非负整数（>=1）。当一个线程想要访问某个共享资源时，它必须要先获取Semaphore，当Semaphore >0时，获取该资源并使Semaphore – 1。如果Semaphore值 = 0，则表示全部的共享资源已经被其他线程全部占用，线程必须要等待其他线程释放资源。当线程释放资源时，Semaphore则+1；

当信号量Semaphore = 1 时，它可以当作互斥锁使用。其中0、1就相当于它的状态，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。

源码分析

（1）Semaphore的结构如下：

从上面可以看出，Semaphore和ReentrantLock一样，都是包含公平锁（FairySync）和非公平锁（NonfairSync），两个锁都是继承Sync，而Sync也是继承自AQS。其构造函数如下：

/**

     * 创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。  (默认是非公平锁)

     */

    public Semaphore(int permits) {

        sync = new NonfairSync(permits);

    }

    /**

     * 创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。

     */

    public Semaphore(int permits, boolean fair) {

        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);

    }

（2）信号量的获取：acquire()

在ReentrantLock中已经阐述过，公平锁和非公平锁获取锁机制的差别：对于公平锁而言，如果当前线程不在CLH队列（CLH锁是一个自旋锁。能确保无饥饿性。提供先来先服务的公平性）的头部，则需要排队等候，而非公平锁则不同，它无论当前线程处于CLH队列的何处都会直接获取锁。所以公平信号量和非公平信号量的区别也一样。

关于CLH 自旋队列锁 更多知识：https://blog.csdn.net/aesop_wubo/article/details/7533186

源码：

public void acquire() throws InterruptedException {

        sync.acquireSharedInterruptibly(1);

    }

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)

            throws InterruptedException {

        if (Thread.interrupted())

            throw new InterruptedException();

        if (tryAcquireShared(arg) < 0)

            doAcquireSharedInterruptibly(arg);

    }

对于公平信号量和非公平信号量，他们机制的差异就体现在traAcquireShared()方法中：

公平锁 tryAcquireShared() 尝试获取信号量

源码：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {

        for (;;) {

            //判断该线程是否位于CLH队列的列头，如果是的话返回 -1,调用doAcquireSharedInterruptibly()

            if (hasQueuedPredecessors())

                return -1;

            //获取当前的信号量许可

            int available = getState();

            //设置“获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数”

            int remaining = available - acquires;

            //如果剩余信号量 > 0 ,则设置“可获取的信号量”为remaining

            if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))

                return remaining;

        }

    }

注意： tryAcquireShared是尝试获取信号量，remaining表示下次可获取的信号量。

（2）hasQueuedPredecessors（）是否有队列同步器

对于hasQueuedPredecessors、compareAndSetState在ReentrantLock中已经阐述了，hasQueuedPredecessors用于判断该线程是否位于CLH队列列头，compareAndSetState用于设置state的，它是进行原子操作的。代码如下：

public final boolean hasQueuedPredecessors() {

        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order

        Node h = head;

        Node s;

        return h != t &&

            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());

    }

    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {

        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);

    }

（3） doAcquireSharedInterruptibly源代码如下：

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)

            throws InterruptedException {

            /*

             * 创建CLH队列的node节点，Node.SHARED表示该节点为共享锁

             */

            final Node node = addWaiter(Node.SHARED);

            boolean failed = true;

            try {

                for (;;) {

                    //获取该节点的前继节点

                    final Node p = node.predecessor();

                    //当p为头节点时，基于公平锁机制，线程尝试获取锁

                    if (p == head) {

                        //尝试获取锁

                        int r = tryAcquireShared(arg);

                        if (r >= 0) {

                            setHeadAndPropagate(node, r);

                            p.next = null; // help GC

                            failed = false;

                            return;

                        }

                    }

                    //判断当前线程是否需要阻塞，如果阻塞的话，则一直处于阻塞状态知道获取共享锁为止

                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                        parkAndCheckInterrupt())

                        throw new InterruptedException();

                }

            } finally {

                if (failed)

                    cancelAcquire(node);

            }

        }

doAcquireSharedInterruptibly主要是做两个工作；1、尝试获取共享锁，2、阻塞线程直到线程获取共享锁。

非公平锁

对于非公平锁就简单多了，她没有那些所谓的要判断是不是CLH队列的列头，如下：

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {

            for (;;) {

                int available = getState();

                int remaining = available - acquires;

                if (remaining < 0 ||

                    compareAndSetState(available, remaining))

                    return remaining;

            }

        }

在非公平锁中，tryAcquireShared直接调用AQS的nonfairTryAcquireShared()。通过上面的代码我可看到非公平锁并没有通过if (hasQueuedPredecessors())这样的条件来判断该节点是否为CLH队列的头节点，而是直接判断信号量。

信号量的释放：release()

信号量Semaphore的释放和获取不同，它没有分公平锁和非公平锁。如下：

public void release() {

        sync.releaseShared(1);

    }

    public final boolean releaseShared(int arg) {

        //尝试释放共享锁

        if (tryReleaseShared(arg)) {

            doReleaseShared();

            return true;

        }

        return false;

    }

注意：release()释放线索所占有的共享锁，它首先通过tryReleaseShared尝试释放共享锁，如果成功直接返回，如果失败则调用doReleaseShared来释放共享锁。

tryReleaseShared：源码部分：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {

        for (;;) {

            int current = getState();

            //信号量的许可数 = 当前信号许可数 + 待释放的信号许可数

            int next = current + releases;

            if (next < current) // overflow

                throw new Error("Maximum permit count exceeded");

            //设置可获取的信号许可数为next

            if (compareAndSetState(current, next))

                return true;

        }

    }

doReleaseShared：源码部分：

private void doReleaseShared() {

            for (;;) {

                //node 头节点

                Node h = head;

                //h != null,且h　!= 尾节点

                if (h != null && h != tail) {

                    //获取h节点对应线程的状态

                    int ws = h.waitStatus;

                    //若h节点状态为SIGNAL，表示h节点的下一个节点需要被唤醒

                    if (ws == Node.SIGNAL) {

                        //设置h节点状态

                        if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))

                            continue;

                        //唤醒h节点对应的下一个节点

                        unparkSuccessor(h);

                    }

                    //若h节点对应的状态== 0 ，则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态

                    else if (ws == 0 &&

                             !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))

                        continue;

                }

                //h == head时，则退出循环，若h节点发生改变时则循环继续

                if (h == head)

                    break;

            }

        }

参考博客：

JAVA多线程–信号量(Semaphore)

Java多线程系列--“JUC锁”11之 Semaphore信号量的原理和示例

【Java并发编程实战】—–“J.U.C”：Semaphore