Java多线程：CountDownLatch、CyclicBarrier 和 Semaphore

场景描述：

　　多线程设计过程中，经常会遇到需要等待其它线程结束以后再做其他事情的情况。

有几种方案：

 

　　1.在主线程中设置一自定义全局计数标志，在工作线程完成时，计数减1。主线程侦测该标志是否为0，一旦为0，表示所有工作线程已经完成。

　　2.使用Java标准的类CountDownLatch来完成这项工作，原理是一样的，计数。

 

 

CountDownLatch

一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。 

其机制是：

　　当多个（具体数量等于初始化CountDownLatch时的count参数的值）线程都达到了预期状态或完成预期工作时触发事件，其他线程可以等待这个事件来触发自己的后续工作。这里需要注意的是，等待的线程可以是多个，即CountDownLatch是可以唤醒多个等待的线程的。达到自己预期状态的线程会调用CountDownLatch的countDown方法，而等待的线程会调用CountDownLatch的await方法。

CountDownLatch 很适合用来将一个任务分为n个独立的部分，等这些部分都完成后继续接下来的任务，CountDownLatch 只能出发一次，计数值不能被重置。

流程图

如上图所示，当7个线程都完成latch.countDown调用后，最下面那条线程会从latch.await返回，继续执行后面的代码

函数列表

• CountDownLatch(int count) ：构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch。

• void await()：使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断。

• boolean await(long timeout, TimeUnit unit) 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。

• void countDown() 递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。

实现原理

　　请参考：http://www.tuicool.com/articles/mQnAfq

 

实例

　　我们来看一个具体的例子。假设我们使用一台多核的机器对一组数据进行排序，那么我们可以把这组数据分到不同线程中进行排序，然后合并；可以利用线程池来管理多线程；可以将CountDownLatch用作各个分组数据都排好序的通知。下面是代码片段：

先看主线程

int count = ;
final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(count);
int[] datas = new int[];
int step = datas.length / count;
for (int i=; i < count; i++) {
    int start = i * step;
    int end = (i+) * step;
    if (i == count - ) end = datas.length;
    threadpool.execute(new MyRunnable(latch, datas, start, end));
}
latch.await();
//合并数据

我们再看一下具体任务的代码，即MyRunnable的run方法的实现：

public void run() {
      //数据排序
     latch.countDown();
}

CyclicBarrier

可以协同多个线程，让多个线程在这个屏障前等待，直到所有线程都达到了这个屏障时，再一起继续执行后面的动作。

CyclicBarrier适用于多个线程有固定的多步需要执行，线程间互相等待，当都执行完了，再一起执行下一步。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier。

 

流程图

 上图中的7个线程各有一个barrier.await,那么任何一个线程在执行到barrier.await时就会进入阻塞等待状态，直到7个线程都到了barrier.await时才会同时从await返回，继续后面的工作。此外如果在构造CyclicBarrier时设置了一个Runnable实现，那么最后一个到barrier.await的线程会执行这个Runnable的run方法，以完成一些预设的工作。

 

注意比较CountDownLatch和CyclicBarrier：

　　(01) CountDownLatch的作用是允许1或N个线程等待其他线程完成执行；而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待。

　　(02) CountDownLatch的计数器无法被重置；CyclicBarrier的计数器可以被重置后使用，因此它被称为是循环的barrier。

CountDownLatch 适用于一组线程和另一个主线程之间的工作协作。一个主线程等待一组工作线程的任务完毕才继续它的执行是使用 CountDownLatch 的主要场景；CyclicBarrier 用于一组或几组线程，比如一组线程需要在一个时间点上达成一致，例如同时开始一个工作。另外，CyclicBarrier 的循环特性和构造函数所接受的 Runnable 参数也是 CountDownLatch 所不具备的。

 

 

	CountDownLatch	CyclicBarrier
适用场景	主线程等待其他工作线程结束	多个线程相互等待，直到所有线程都达到一个障碍点Barrier
主要方法	CountDownLatch(int count) 主线程调用：初始化计数   await() 主线程调用 ： 阻塞，直到等待计数为0时解除阻塞    countDown() 工作线程调用 ： 计数减1	CyclicBarrier(int parties , Runnnable barrierAction) : 初始化参与者数量和障碍点执行Action，action可选，由主线程初始化   await() : 由工作线程调用，每被调用一次，计数便会减少1，并阻塞住当前线程 ， 直到所有线程都达到障碍点
等待结束	各线程之间不再相互影响， 可以继续做自己的事情， 不再执行下一个工作目标。	在障碍点到达后， 允许所有线程继续执行，到达下一个目标后，可以恢复使用CyclicBarrier， barrier 在释放等待线程后可以重用
异常		如果其中一个线程由于中断、错误、或者超时导致永久离开障碍点，其他线程也将抛出异常。

 

实例

 　　

int count = ;
final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(count + );
int[] datas = new int[];
int step = datas.length / count;
for (int i=; i < count; i++) {
    int start = i * step;
    int end = (i+) * step;
    if (i == count - ) end = datas.length;
    threadpool.execute(new MyRunnable(barrier, datas, start, end));
}
barrier.await();
//合并数据

可以看到CyclicBarrier对象传入的参数值比CountDownLatch大1，原因是构造CountDownLatch的参数是调用countDown的数量，而CyclicBarrier的数量是await的数量

public void run() {
      //数据排序
     try {
         barrier.await();
    }catch (...)
}

Semaphore

Semaphore 信号量对象管理的信号就像令牌，构造时传入个数，总数就是控制并发的数量。我们需要控制并发的代码，执行前先获取信号(通过acquire获取信号许可)，执行后归还信号(通过release归还信号许可)。每次acquire成功返回后，Semaphore可用的信号量就会减少一个，如果没有可用的信号，acquire调用就会阻塞，等待有release调用释放信号后，acquire才会得到信号并返回。

如果Semaphore管理的信号量为1个，那么就退化到互斥锁了；如果多于一个信号量，则主要用于控制并发数。与通过控制线程数来控制并发数的方式相比，通过Semaphore来控制并发数可以控制得更加细粒度，因为真正被控制最大并发的代码放到acquire和release之间就行了。

　　Semaphore类位于java.util.concurrent包下，它提供了2个构造器：

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);
}

实例

 　　例如我们需要控制远程方法的并发量，超过并发量的方法就等待有其他方法执行返回后再执行，那么其代码如下：

semaphore.acquire();
try {
    //调用远程通信的方法
}
finally {
    semaphore.release();
}

 

 

 

参考资料：

Java并发编程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore