Java並發編程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore
在java 1.5中，提供了一些非常有用的輔助類來幫助我們進行並發編程，比如CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore，今天我們就來學習一下這三個輔助類的用法。
以下是本文目錄大綱：
一.CountDownLatch用法
二.CyclicBarrier用法
三.Semaphore用法
若有不正之處請多多諒解，並歡迎批評指正。
請尊重作者勞動成果，轉載請標明原文鏈接：
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920397.html
一.CountDownLatch用法
CountDownLatch類位於java.util.concurrent包下，利用它可以實現類似計數器的功能。比如有一個任務A，它要等待其他4個任務執行完畢之后才能執行，此時就可以利用CountDownLatch來實現這種功能了。
CountDownLatch類只提供了一個構造器：
public CountDownLatch(int count) { }; //參數count為計數值
然后下面這3個方法是CountDownLatch類中最重要的方法：
public void await() throws InterruptedException { }; //調用await()方法的線程會被掛起，它會等待直到count值為0才繼續執行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //和await()類似，只不過等待一定的時間后count值還沒變為0的話就會繼續執行
public void countDown() { }; //將count值減1
下面看一個例子大家就清楚CountDownLatch的用法了：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
new Thread(){
public void run() {
try {
System.out.println("子線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在執行");
Thread.sleep(3000);
System.out.println("子線程"+Thread.currentThread().getName()+"執行完畢");
latch.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
try {
System.out.println("子線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在執行");
Thread.sleep(3000);
System.out.println("子線程"+Thread.currentThread().getName()+"執行完畢");
latch.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
};
}.start();
try {
System.out.println("等待2個子線程執行完畢...");
latch.await();
System.out.println("2個子線程已經執行完畢");
System.out.println("繼續執行主線程");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
執行結果：
線程Thread-0正在執行 線程Thread-1正在執行 等待2個子線程執行完畢... 線程Thread-0執行完畢 線程Thread-1執行完畢 2個子線程已經執行完畢 繼續執行主線程
二.CyclicBarrier用法
字面意思回環柵欄，通過它可以實現讓一組線程等待至某個狀態之后再全部同時執行。叫做回環是因為當所有等待線程都被釋放以后，CyclicBarrier可以被重用。我們暫且把這個狀態就叫做barrier，當調用await()方法之后，線程就處於barrier了。
CyclicBarrier類位於java.util.concurrent包下，CyclicBarrier提供2個構造器：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
}
public CyclicBarrier(int parties) {
}
參數parties指讓多少個線程或者任務等待至barrier狀態；參數barrierAction為當這些線程都達到barrier狀態時會執行的內容。
然后CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法，它有2個重載版本：
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };
public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { };
第一個版本比較常用，用來掛起當前線程，直至所有線程都到達barrier狀態再同時執行后續任務；
第二個版本是讓這些線程等待至一定的時間，如果還有線程沒有到達barrier狀態就直接讓到達barrier的線程執行后續任務。
下面舉幾個例子就明白了：
假若有若干個線程都要進行寫數據操作，並且只有所有線程都完成寫數據操作之后，這些線程才能繼續做后面的事情，此時就可以利用CyclicBarrier了：
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("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數據...");
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠來模擬寫入數據操作
System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢");
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}catch(BrokenBarrierException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...");
}
}
}
執行結果：
線程Thread-0正在寫入數據... 線程Thread-3正在寫入數據... 線程Thread-2正在寫入數據... 線程Thread-1正在寫入數據... 線程Thread-2寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-0寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-3寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-1寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... 所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... 所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... 所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
從上面輸出結果可以看出，每個寫入線程執行完寫數據操作之后，就在等待其他線程寫入操作完畢。
當所有線程線程寫入操作完畢之后，所有線程就繼續進行后續的操作了。
如果說想在所有線程寫入操作完之后，進行額外的其他操作可以為CyclicBarrier提供Runnable參數：
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("當前線程"+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("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數據...");
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠來模擬寫入數據操作
System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢");
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}catch(BrokenBarrierException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...");
}
}
}
運行結果：
線程Thread-0正在寫入數據... 線程Thread-1正在寫入數據... 線程Thread-2正在寫入數據... 線程Thread-3正在寫入數據... 線程Thread-0寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-1寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-2寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-3寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 當前線程Thread-3 所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... 所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... 所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... 所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
從結果可以看出，當四個線程都到達barrier狀態后，會從四個線程中選擇一個線程去執行Runnable。
下面看一下為await指定時間的效果：
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("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數據...");
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠來模擬寫入數據操作
System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢");
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()+"所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...");
}
}
}
執行結果：
線程Thread-0正在寫入數據... 線程Thread-2正在寫入數據... 線程Thread-1正在寫入數據... 線程Thread-2寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-0寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-1寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-3正在寫入數據... java.util.concurrent.TimeoutException Thread-1所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... Thread-0所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... 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$Writer.run(Test.java:58) Thread-2所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... java.util.concurrent.BrokenBarrierException 線程Thread-3寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source) at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source) at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58) Thread-3所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
上面的代碼在main方法的for循環中，故意讓最后一個線程啟動延遲，因為在前面三個線程都達到barrier之后，等待了指定的時間發現第四個線程還沒有達到barrier，就拋出異常並繼續執行后面的任務。
另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面這個例子：
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("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數據...");
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠來模擬寫入數據操作
System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢");
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}catch(BrokenBarrierException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...");
}
}
}
執行結果：
線程Thread-0正在寫入數據... 線程Thread-1正在寫入數據... 線程Thread-3正在寫入數據... 線程Thread-2正在寫入數據... 線程Thread-1寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-3寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-2寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-0寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 Thread-0所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... Thread-3所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... Thread-1所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... Thread-2所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... CyclicBarrier重用 線程Thread-4正在寫入數據... 線程Thread-5正在寫入數據... 線程Thread-6正在寫入數據... 線程Thread-7正在寫入數據... 線程Thread-7寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-5寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-6寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 線程Thread-4寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 Thread-4所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... Thread-5所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... Thread-6所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務... Thread-7所有線程寫入完畢，繼續處理其他任務...
從執行結果可以看出，在初次的4個線程越過barrier狀態后，又可以用來進行新一輪的使用。而CountDownLatch無法進行重復使用。
三.Semaphore用法
Semaphore翻譯成字面意思為 信號量，Semaphore可以控同時訪問的線程個數，通過 acquire() 獲取一個許可，如果沒有就等待，而 release() 釋放一個許可。
Semaphore類位於java.util.concurrent包下，它提供了2個構造器：
public Semaphore(int permits) { //參數permits表示許可數目，即同時可以允許多少線程進行訪問
sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) { //這個多了一個參數fair表示是否是公平的，即等待時間越久的越先獲取許可
sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
下面說一下Semaphore類中比較重要的幾個方法，首先是acquire()、release()方法：
public void acquire() throws InterruptedException { } //獲取一個許可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { } //獲取permits個許可
public void release() { } //釋放一個許可
public void release(int permits) { } //釋放permits個許可
acquire()用來獲取一個許可，若無許可能夠獲得，則會一直等待，直到獲得許可。
release()用來釋放許可。注意，在釋放許可之前，必須先獲獲得許可。
這4個方法都會被阻塞，如果想立即得到執行結果，可以使用下面幾個方法：
public boolean tryAcquire() { }; //嘗試獲取一個許可，若獲取成功，則立即返回true，若獲取失敗，則立即返回false
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //嘗試獲取一個許可，若在指定的時間內獲取成功，則立即返回true，否則則立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; //嘗試獲取permits個許可，若獲取成功，則立即返回true，若獲取失敗，則立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //嘗試獲取permits個許可，若在指定的時間內獲取成功，則立即返回true，否則則立即返回false
另外還可以通過availablePermits()方法得到可用的許可數目。
下面通過一個例子來看一下Semaphore的具體使用：
假若一個工廠有5台機器，但是有8個工人，一台機器同時只能被一個工人使用，只有使用完了，其他工人才能繼續使用。那么我們就可以通過Semaphore來實現：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
int N = 8; //工人數
Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //機器數目
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+"占用一個機器在生產...");
Thread.sleep(2000);
System.out.println("工人"+this.num+"釋放出機器");
semaphore.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
執行結果：
工人0占用一個機器在生產...
工人1占用一個機器在生產...
工人2占用一個機器在生產...
工人4占用一個機器在生產...
工人5占用一個機器在生產...
工人0釋放出機器
工人2釋放出機器
工人3占用一個機器在生產...
工人7占用一個機器在生產...
工人4釋放出機器
工人5釋放出機器
工人1釋放出機器
工人6占用一個機器在生產...
工人3釋放出機器
工人7釋放出機器
工人6釋放出機器
下面對上面說的三個輔助類進行一個總結：
1）CountDownLatch和CyclicBarrier都能夠實現線程之間的等待，只不過它們側重點不同：
CountDownLatch一般用於某個線程A等待若干個其他線程執行完任務之后，它才執行；
而CyclicBarrier一般用於一組線程互相等待至某個狀態，然后這一組線程再同時執行；
另外，CountDownLatch是不能夠重用的，而CyclicBarrier是可以重用的。
2）Semaphore其實和鎖有點類似，它一般用於控制對某組資源的訪問權限。
參考資料：
《Java編程思想》
http://www.itzhai.com/the-introduction-and-use-of-a-countdownlatch.html
http://leaver.me/archives/3220.html
http://developer.51cto.com/art/201403/432095.htm
http://blog.csdn.net/yanhandle/article/details/9016329