怎么解析JUC下CountDownLatch，CyclicBarrier，Semaphore

在 JUC 下包含了一些常用的同步工具类，今天就来详细介绍一下，CountDownLatch，CyclicBarrier，Semaphore 的使用方法以及它们之间的区别。

一、CountDownLatch

先看一下，CountDownLatch 源码的官方介绍。

 

意思是，它是一个同步辅助器，允许一个或多个线程一直等待，直到一组在其他线程执行的操作全部完成。

public CountDownLatch(int count) {
	if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
	this.sync = new Sync(count);
}

它的构造方法，会传入一个 count 值，用于计数。

常用的方法有两个：

public void await() throws InterruptedException {
	sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

public void countDown() {
	sync.releaseShared(1);
}

当一个线程调用await方法时，就会阻塞当前线程。每当有线程调用一次 countDown 方法时，计数就会减 1。当 count 的值等于 0 的时候，被阻塞的线程才会继续运行。

现在设想一个场景，公司项目，线上出现了一个紧急 bug，被客户投诉，领导焦急的过来，想找人迅速的解决这个 bug 。

那么，一个人解决肯定速度慢啊，于是叫来张三和李四，一起分工解决。终于，当他们两个都做完了自己所需要做的任务之后，领导才可以答复客户，客户也就消气了（没办法啊，客户是上帝嘛）。

于是，我们可以设计一个 Worker 类来模拟单个人修复 bug 的过程，主线程就是领导，一直等待所有 Worker 任务执行结束，主线程才可以继续往下走。

public class CountDownTest {
   static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
       Worker w1 = new Worker("张三", 2000, latch);
       Worker w2 = new Worker("李四", 3000, latch);
       w1.start();
       w2.start();

       long startTime = System.currentTimeMillis();
       latch.await();
       System.out.println("bug全部解决，领导可以给客户交差了，任务总耗时："+ (System.currentTimeMillis() - startTime));

   }

   static class Worker extends Thread{
       String name;
       int workTime;
       CountDownLatch latch;

       public Worker(String name, int workTime, CountDownLatch latch) {
           this.name = name;
           this.workTime = workTime;
           this.latch = latch;
       }

       @Override
       public void run() {
           System.out.println(name+"开始修复bug，当前时间："+sdf.format(new Date()));
           doWork();
           System.out.println(name+"结束修复bug，当前时间："+sdf.format(new Date()));
           latch.countDown();
       }

       private void doWork() {
           try {
               //模拟工作耗时
               Thread.sleep(workTime);
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }
}

本来需要 5 秒完成的任务，两个人 3 秒就完成了。我只能说，这程序员的工作效率真是太太太高了。

二、CyclicBarrier

barrier 英文是屏障，障碍，栅栏的意思。cyclic是循环的意思，就是说，这个屏障可以循环使用（什么意思，等下我举例子就知道了）。源码官方解释是：

A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point . The barrier is called cyclic because it can be re-used after the waiting threads are released.

一组线程会互相等待，直到所有线程都到达一个同步点。这个就非常有意思了，就像一群人被困到了一个栅栏前面，只有等最后一个人到达之后，他们才可以合力把栅栏（屏障）突破。

CyclicBarrier 提供了两种构造方法:

public CyclicBarrier(int parties) {
   this(parties, null);
}
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
   if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
   this.parties = parties;
   this.count = parties;
   this.barrierCommand = barrierAction;
}

第一个构造的参数，指的是需要几个线程一起到达，才可以使所有线程取消等待。第二个构造，额外指定了一个参数，用于在所有线程达到屏障时，优先执行 barrierAction。

现在模拟一个常用的场景，一组运动员比赛 1000 米，只有在所有人都准备完成之后，才可以一起开跑（额，先忽略裁判吹口哨的细节）。

定义一个 Runner 类代表运动员，其内部维护一个共有的 CyclicBarrier，每个人都有一个准备时间，准备完成之后，会调用 await 方法，等待其他运动员。当所有人准备都 OK 时，就可以开跑了。

public class BarrierTest {
   public static void main(String[] args) {
       CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);  //①
       Runner runner1 = new Runner(barrier, "张三");
       Runner runner2 = new Runner(barrier, "李四");
       Runner runner3 = new Runner(barrier, "王五");

       ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);
       service.execute(runner1);
       service.execute(runner2);
       service.execute(runner3);

       service.shutdown();

   }

}


class Runner implements Runnable{

   private CyclicBarrier barrier;
   private String name;

   public Runner(CyclicBarrier barrier, String name) {
       this.barrier = barrier;
       this.name = name;
   }

   @Override
   public void run() {
       try {
           //模拟准备耗时
           Thread.sleep(new Random().nextInt(5000));
           System.out.println(name + ":准备OK");
           barrier.await();
           System.out.println(name +": 开跑");
       } catch (InterruptedException e) {
           e.printStackTrace();
       } catch (BrokenBarrierException e){
           e.printStackTrace();
       }
   }
}

可以看到，我们已经实现了需要的功能。但是，有的同学就较真了，说你这不行啊，哪有运动员都准备好之后就开跑的，你还把裁判放在眼里吗，裁判不吹口哨，你敢跑一个试试。

好吧，也确实是这样一个理儿，那么，我们就实现一下，让裁判吹完口哨之后，他们再一起开跑吧。

这里就要用到第二个构造函数了，于是我把代码 ① 处稍微修改一下。

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
       try {
           System.out.println("等裁判吹口哨...");
           //这里停顿两秒更便于观察线程执行的先后顺序
           Thread.sleep(2000);
           System.out.println("裁判吹口哨->>>>>");
       } catch (InterruptedException e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
});

执行结果:

张三:准备OK
李四:准备OK
王五:准备OK
等裁判吹口哨...
裁判吹口哨->>>>>
张三: 开跑
李四: 开跑
王五: 开跑

可以看到，虽然三个人都已经准备 OK了，但是，只有裁判吹完口哨之后，他们才可以开跑。

刚才，提到了循环利用是怎么体现的呢。我现在把屏障值改为 2，然后增加一个“赵六” 一起参与赛跑。被修改的部分如下:

 

此时观察，打印结果:

张三:准备OK
李四:准备OK
等裁判吹口哨...
裁判吹口哨->>>>>
李四: 开跑
张三: 开跑
王五:准备OK
赵六:准备OK
等裁判吹口哨...
裁判吹口哨->>>>>
赵六: 开跑
王五: 开跑

发现没，可以分两批，第一批先跑两个人，然后第二批再跑两个人。也就实现了屏障的循环使用。

三、Semaphore

Semaphore 信号量，用来控制同一时间，资源可被访问的线程数量，一般可用于流量的控制。

打个比方，现在有一段公路交通比较拥堵，那怎么办呢。此时，就需要警察叔叔出面，限制车的流量。

比如，现在有 20 辆车要通过这个地段， 警察叔叔规定同一时间，最多只能通过 5 辆车，其他车辆只能等待。只有拿到许可的车辆可通过，等车辆通过之后，再归还许可，然后把它发给等待的车辆，获得许可的车辆再通行，依次类推。

public class SemaphoreTest {
   private static int count = 20;

   public static void main(String[] args) {

       ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(count);

       //指定最多只能有五个线程同时执行
       Semaphore semaphore = new Semaphore(5);

       Random random = new Random();
       for (int i = 0; i < count; i++) {
           final int no = i;
           executorService.execute(new Runnable() {
               @Override
               public void run() {
                   try {
                       //获得许可
                       semaphore.acquire();
                       System.out.println(no +":号车可通行");
                       //模拟车辆通行耗时
                       Thread.sleep(random.nextInt(2000));
                       //释放许可
                       semaphore.release();
                   } catch (InterruptedException e) {
                       e.printStackTrace();
                   }
               }
           });
       }

       executorService.shutdown();

   }
}

打印结果我就不写了，需要读者自行观察，就会发现，第一批是五个车同时通行。然后，后边的车才可以依次通行，但是同时通行的车辆不能超过 5 辆。

细心的读者，就会发现，这许可一共就发 5 个，那等第一批车辆用完释放之后， 第二批的时候应该发给谁呢？

这确实是一个问题。所有等待的车辆都想先拿到许可，先通行，怎么办。这就需要，用到锁了。就所有人都去抢，谁先抢到，谁就先走呗。

我们去看一下 Semaphore的构造函数，就会发现，可以传入一个 boolean 值的参数，控制抢锁是否是公平的。

public Semaphore(int permits) {
   sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
   sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

默认是非公平，可以传入 true 来使用公平锁。（锁的机制是通过AQS）

1. CountDownLatch 是一个线程等待其他线程， CyclicBarrier 是多个线程互相等待。
2. CountDownLatch 的计数是减 1 直到 0，CyclicBarrier 是加 1，直到指定值。
3. CountDownLatch 是一次性的， CyclicBarrier  可以循环利用。
4. CyclicBarrier 可以在最后一个线程达到屏障之前，选择先执行一个操作。
5. Semaphore ，需要拿到许可才能执行，并可以选择公平和非公平模式。