25.大白话说java并发工具类-CountDownLatch，CyclicBarrier,Semaphore，Exchanger

1. 倒计时器CountDownLatch

在多线程协作完成业务功能时，有时候需要等待其他多个线程完成任务之后，主线程才能继续往下执行业务功能，在这种的业务场景下，通常可以使用Thread类的join方法，让主线程等待被join的线程执行完之后，主线程才能继续往下执行。当然，使用线程间消息通信机制也可以完成。其实，java并发工具类中为我们提供了类似“倒计时”这样的工具类，可以十分方便的完成所说的这种业务场景。

为了能够理解CountDownLatch，举一个很通俗的例子，运动员进行跑步比赛时，假设有6个运动员参与比赛，裁判员在终点会为这6个运动员分别计时，可以想象每当一个运动员到达终点的时候，对于裁判员来说就少了一个计时任务。直到所有运动员都到达终点了，裁判员的任务也才完成。这6个运动员可以类比成6个线程，当线程调用CountDownLatch.countDown方法时就会对计数器的值减一，直到计数器的值为0的时候，裁判员（调用await方法的线程）才能继续往下执行。

下面来看些CountDownLatch的一些重要方法。

先从CountDownLatch的构造方法看起：

public CountDownLatch(int count)

构造方法会传入一个整型数N，之后调用CountDownLatch的countDown方法会对N减一，直到N减到0的时候，当前调用await方法的线程继续执行。

CountDownLatch的方法不是很多，将它们一个个列举出来：

1. await() throws InterruptedException：调用该方法的线程等到构造方法传入的N减到0的时候，才能继续往下执行；

2. await(long timeout, TimeUnit unit)：与上面的await方法功能一致，只不过这里有了时间限制，调用该方法的线程等到指定的timeout时间后，不管N是否减至为0，都会继续往下执行；

3. countDown()：使CountDownLatch初始值N减1；

4. long getCount()：获取当前CountDownLatch维护的值；

下面用一个具体的例子来说明CountDownLatch的具体用法:

public class CountDownLatchDemo {
private static CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
//用来表示裁判员需要维护的是6个运动员
private static CountDownLatch endSignal = new CountDownLatch(6);
​
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(6);
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运动员等待裁判员响哨！！！");
                startSignal.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在全力冲刺");
                endSignal.countDown();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  到达终点");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
    Thread.sleep(10);
    System.out.println("裁判员发号施令啦！！！");
    startSignal.countDown();
    endSignal.await();
    System.out.println("所有运动员到达终点，比赛结束！");
    executorService.shutdown();
}
}
输出结果：
​
pool-1-thread-2 运动员等待裁判员响哨！！！
pool-1-thread-3 运动员等待裁判员响哨！！！
pool-1-thread-1 运动员等待裁判员响哨！！！
pool-1-thread-4 运动员等待裁判员响哨！！！
pool-1-thread-5 运动员等待裁判员响哨！！！
pool-1-thread-6 运动员等待裁判员响哨！！！
裁判员发号施令啦！！！
pool-1-thread-2正在全力冲刺
pool-1-thread-2  到达终点
pool-1-thread-3正在全力冲刺
pool-1-thread-3  到达终点
pool-1-thread-1正在全力冲刺
pool-1-thread-1  到达终点
pool-1-thread-4正在全力冲刺
pool-1-thread-4  到达终点
pool-1-thread-5正在全力冲刺
pool-1-thread-5  到达终点
pool-1-thread-6正在全力冲刺
pool-1-thread-6  到达终点
所有运动员到达终点，比赛结束！

该示例代码中设置了两个CountDownLatch，第一个endSignal用于控制让main线程（裁判员）必须等到其他线程（运动员）让CountDownLatch维护的数值N减到0为止。另一个startSignal用于让main线程对其他线程进行“发号施令”，startSignal引用的CountDownLatch初始值为1，而其他线程执行的run方法中都会先通过 startSignal.await()让这些线程都被阻塞，直到main线程通过调用startSignal.countDown();，将值N减1，CountDownLatch维护的数值N为0后，其他线程才能往下执行，并且，每个线程执行的run方法中都会通过endSignal.countDown();对endSignal维护的数值进行减一，由于往线程池提交了6个任务，会被减6次，所以endSignal维护的值最终会变为0，因此main线程在latch.await();阻塞结束，才能继续往下执行。

另外，需要注意的是，当调用CountDownLatch的countDown方法时，当前线程是不会被阻塞，会继续往下执行，比如在该例中会继续输出pool-1-thread-4 到达终点。

2. 循环栅栏：CyclicBarrier

CyclicBarrier也是一种多线程并发控制的实用工具，和CountDownLatch一样具有等待计数的功能，但是相比于CountDownLatch功能更加强大。

为了理解CyclicBarrier，这里举一个通俗的例子。开运动会时，会有跑步这一项运动，我们来模拟下运动员入场时的情况，假设有6条跑道，在比赛开始时，就需要6个运动员在比赛开始的时候都站在起点了，裁判员吹哨后才能开始跑步。跑道起点就相当于“barrier”，是临界点，而这6个运动员就类比成线程的话，就是这6个线程都必须到达指定点了，意味着凑齐了一波，然后才能继续执行，否则每个线程都得阻塞等待，直至凑齐一波即可。cyclic是循环的意思，也就是说CyclicBarrier当多个线程凑齐了一波之后，仍然有效，可以继续凑齐下一波。CyclicBarrier的执行示意图如下：

当多个线程都达到了指定点后，才能继续往下继续执行。这就有点像报数的感觉，假设6个线程就相当于6个运动员，到赛道起点时会报数进行统计，如果刚好是6的话，这一波就凑齐了，才能往下执行。CyclicBarrier在使用一次后，下面依然有效，可以继续当做计数器使用，这是与CountDownLatch的区别之一。这里的6个线程，也就是计数器的初始值6，是通过CyclicBarrier的构造方法传入的。

下面来看下CyclicBarrier的主要方法：

//等到所有的线程都到达指定的临界点
await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException 
​
//与上面的await方法功能基本一致，只不过这里有超时限制，阻塞等待直至到达超时时间为止
await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, 
BrokenBarrierException, TimeoutException 
​
//获取当前有多少个线程阻塞等待在临界点上
int getNumberWaiting()
​
//用于查询阻塞等待的线程是否被中断
boolean isBroken()
//将屏障重置为初始状态。如果当前有线程正在临界点等待的话，将抛出BrokenBarrierException。
void reset()

另外需要注意的是，CyclicBarrier提供了这样的构造方法：

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)

可以用来，当指定的线程都到达了指定的临界点的时，接下来执行的操作可以由barrierAction传入即可。

一个例子

下面用一个简单的例子，来看下CyclicBarrier的用法，我们来模拟下上面的运动员的例子。

public class CyclicBarrierDemo {
    //指定必须有6个运动员到达才行
    private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(6, () -> {
        System.out.println("所有运动员入场，裁判员一声令下！！！！！");
    });
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("运动员准备进场，全场欢呼............");
​
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(6);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            service.execute(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运动员，进场");
                    barrier.await();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  运动员出发");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
​
}
​
输出结果：
运动员准备进场，全场欢呼............
pool-1-thread-2 运动员，进场
pool-1-thread-1 运动员，进场
pool-1-thread-3 运动员，进场
pool-1-thread-4 运动员，进场
pool-1-thread-5 运动员，进场
pool-1-thread-6 运动员，进场
所有运动员入场，裁判员一声令下！！！！！
pool-1-thread-6  运动员出发
pool-1-thread-1  运动员出发
pool-1-thread-5  运动员出发
pool-1-thread-4  运动员出发
pool-1-thread-3  运动员出发
pool-1-thread-2  运动员出发

从输出结果可以看出，当6个运动员（线程）都到达了指定的临界点（barrier）时候，才能继续往下执行，否则，则会阻塞等待在调用await()处

3. CountDownLatch与CyclicBarrier的比较

CountDownLatch与CyclicBarrier都是用于控制并发的工具类，都可以理解成维护的就是一个计数器，但是这两者还是各有不同侧重点的：

1. 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；CountDownLatch强调一个线程等多个线程完成某件事情。CyclicBarrier是多个线程互相等待，等大家都完成，再携手共进。

2. 调用CountDownLatch的countDown方法后，当前线程并不会阻塞，会继续往下执行；而调用CyclicBarrier的await方法，会阻塞当前线程，直到CyclicBarrier指定的线程全部都到达了指定点的时候，才能继续往下执行；

3. CountDownLatch方法比较少，操作比较简单，而CyclicBarrier提供的方法更多，比如能够通过getNumberWaiting()，isBroken()这些方法获取当前多个线程的状态，并且CyclicBarrier的构造方法可以传入barrierAction，指定当所有线程都到达时执行的业务功能；

4. CountDownLatch是不能复用的，而CyclicLatch是可以复用的。

5. 1. 控制资源并发访问--Semaphore

   Semaphore可以理解为信号量，用于控制资源能够被并发访问的线程数量，以保证多个线程能够合理的使用特定资源。Semaphore就相当于一个许可证，线程需要先通过acquire方法获取该许可证，该线程才能继续往下执行，否则只能在该方法处阻塞等待。当执行完业务功能后，需要通过release()方法将许可证归还，以便其他线程能够获得许可证继续执行。

   Semaphore可以用于做流量控制，特别是公共资源有限的应用场景，比如数据库连接。假如有多个线程读取数据后，需要将数据保存在数据库中，而可用的最大数据库连接只有10个，这时候就需要使用Semaphore来控制能够并发访问到数据库连接资源的线程个数最多只有10个。在限制资源使用的应用场景下，Semaphore是特别合适的。

   下面来看下Semaphore的主要方法：

   //获取许可，如果无法获取到，则阻塞等待直至能够获取为止
   void acquire() throws InterruptedException 
   ​
   //同acquire方法功能基本一样，只不过该方法可以一次获取多个许可
   void acquire(int permits) throws InterruptedException
   ​
   //释放许可
   void release()
   ​
   //释放指定个数的许可
   void release(int permits)
   ​
   //尝试获取许可，如果能够获取成功则立即返回true，否则，则返回false
   boolean tryAcquire()
   ​
   //与tryAcquire方法一致，只不过这里可以指定获取多个许可
   boolean tryAcquire(int permits)
   ​
   //尝试获取许可，如果能够立即获取到或者在指定时间内能够获取到，则返回true，否则返回false
   boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
   ​
   //与上一个方法一致，只不过这里能够获取多个许可
   boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
    //返回当前可用的许可证个数
   int availablePermits()
   ​
   //返回正在等待获取许可证的线程数
   int getQueueLength()
   ​
   //是否有线程正在等待获取许可证
   boolean hasQueuedThreads()
   ​
   //获取所有正在等待许可的线程集合
   Collection<Thread> getQueuedThreads()

   另外，在Semaphore的构造方法中还支持指定是否具有公平性，默认的是非公平性，这样也是为了保证吞吐量。

   一个例子

   下面用一个简单的例子来说明Semaphore的具体使用。我们来模拟这样一样场景。有一天，班主任需要班上10个同学到讲台上来填写一个表格，但是老师只准备了5支笔，因此，只能保证同时只有5个同学能够拿到笔并填写表格，没有获取到笔的同学只能够等前面的同学用完之后，才能拿到笔去填写表格。该示例代码如下：

   public class SemaphoreDemo {
   ​
       //表示老师只有5支笔
       private static Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
   ​
       public static void main(String[] args) {
   ​
           //表示10个学生
           ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
           for (int i = 0; i < 10; i++) {
               service.execute(() -> {
                   try {
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  同学准备获取笔......");
                       semaphore.acquire();
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  同学获取到笔");
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  填写表格ing.....");
                       TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                       semaphore.release();
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  填写完表格，归还了笔！！！！！！");
                   } catch (InterruptedException e) {
                       e.printStackTrace();
                   }
               });
           }
           service.shutdown();
       }
   ​
   }
   输出结果：
   ​
   pool-1-thread-1  同学准备获取笔......
   pool-1-thread-1  同学获取到笔
   pool-1-thread-1  填写表格ing.....
   pool-1-thread-2  同学准备获取笔......
   pool-1-thread-2  同学获取到笔
   pool-1-thread-2  填写表格ing.....
   pool-1-thread-3  同学准备获取笔......
   pool-1-thread-4  同学准备获取笔......
   pool-1-thread-3  同学获取到笔
   pool-1-thread-4  同学获取到笔
   pool-1-thread-4  填写表格ing.....
   pool-1-thread-3  填写表格ing.....
   pool-1-thread-5  同学准备获取笔......
   pool-1-thread-5  同学获取到笔
   pool-1-thread-5  填写表格ing.....

   pool-1-thread-6  同学准备获取笔......
   pool-1-thread-7  同学准备获取笔......
   pool-1-thread-8  同学准备获取笔......
   pool-1-thread-9  同学准备获取笔......
   pool-1-thread-10  同学准备获取笔......

   pool-1-thread-4  填写完表格，归还了笔！！！！！！
   pool-1-thread-9  同学获取到笔
   pool-1-thread-9  填写表格ing.....
   pool-1-thread-5  填写完表格，归还了笔！！！！！！
   pool-1-thread-7  同学获取到笔
   pool-1-thread-7  填写表格ing.....
   pool-1-thread-8  同学获取到笔
   pool-1-thread-8  填写表格ing.....
   pool-1-thread-1  填写完表格，归还了笔！！！！！！
   pool-1-thread-6  同学获取到笔
   pool-1-thread-6  填写表格ing.....
   pool-1-thread-3  填写完表格，归还了笔！！！！！！
   pool-1-thread-2  填写完表格，归还了笔！！！！！！
   pool-1-thread-10  同学获取到笔
   pool-1-thread-10  填写表格ing.....
   pool-1-thread-7  填写完表格，归还了笔！！！！！！
   pool-1-thread-9  填写完表格，归还了笔！！！！！！
   pool-1-thread-8  填写完表格，归还了笔！！！！！！
   pool-1-thread-6  填写完表格，归还了笔！！！！！！
   pool-1-thread-10  填写完表格，归还了笔！！！！！！

   根据输出结果进行分析，Semaphore允许的最大许可数为5，也就是允许的最大并发执行的线程个数为5，可以看出，前5个线程（前5个学生）先获取到笔，然后填写表格，而6-10这5个线程，由于获取不到许可，只能阻塞等待。当线程pool-1-thread-5释放了许可之后，pool-6-thread-10`就可以获取到许可，继续往下执行。对其他线程的执行过程，也是同样的道理。从这个例子就可以看出，Semaphore用来做特殊资源的并发访问控制是相当合适的，如果有业务场景需要进行流量控制，可以优先考虑Semaphore。

   2.线程间交换数据的工具--Exchanger

   Exchanger是一个用于线程间协作的工具类，用于两个线程间能够交换。它提供了一个交换的同步点，在这个同步点两个线程能够交换数据。具体交换数据是通过exchange方法来实现的，如果一个线程先执行exchange方法，那么它会同步等待另一个线程也执行exchange方法，这个时候两个线程就都达到了同步点，两个线程就可以交换数据。

   Exchanger除了一个无参的构造方法外，主要方法也很简单：

   //当一个线程执行该方法的时候，会等待另一个线程也执行该方法，因此两个线程就都达到了同步点
   //将数据交换给另一个线程，同时返回获取的数据
   V exchange(V x) throws InterruptedException
   ​
   //同上一个方法功能基本一样，只不过这个方法同步等待的时候，增加了超时时间
   V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)
       throws InterruptedException, TimeoutException 

   一个例子

   Exchanger理解起来很容易，这里用一个简单的例子来看下它的具体使用。我们来模拟这样一个情景，在青春洋溢的中学时代，下课期间，男生经常会给走廊里为自己喜欢的女孩子送情书，相信大家都做过这样的事情吧 ：)。男孩会先到女孩教室门口，然后等女孩出来，教室那里就是一个同步点，然后彼此交换信物，也就是彼此交换了数据。现在，就来模拟这个情景。

   public class ExchangerDemo {
       private static Exchanger<String> exchanger = new Exchanger();
   ​
       public static void main(String[] args) {
   ​
           //代表男生和女生
           ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);
   ​
           service.execute(() -> {
               try {
                   //男生对女生说的话
                   String girl = exchanger.exchange("我其实暗恋你很久了......");
                   System.out.println("女孩儿说：" + girl);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           });
           service.execute(() -> {
               try {
                   System.out.println("女生慢慢的从教室里走出来......");
                   TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                   //女生对男生说的话
                   String boy = exchanger.exchange("我也很喜欢你......");
                   System.out.println("男孩儿说：" + boy);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           });
   ​
       }
   }
   ​
   输出结果：
   ​
   女生慢慢的从教室你走出来......
   男孩儿说：我其实暗恋你很久了......
   女孩儿说：我也很喜欢你......

   这个例子很简单，也很能说明Exchanger的基本使用。当两个线程都到达调用exchange方法的同步点的时候，两个线程就能交换彼此的数据。