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Java并发编程:CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore 的简单使用

CountDownLatch

CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下,利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A,它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行,此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

CountDownLatch类只提供了一个构造器: public CountDownLatch(int count) { }; //参数count为计数值 然后下面这3个方法是CountDownLatch类中最重要的方法:

  • public void await() throws InterruptedException { }; //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 boolean await(long timeout, TimeUnit unit) 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 void countDown() { }; //将count值减1
final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
    	 
         new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                     System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕");
                    latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();
 
         new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                     System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
                     Thread.sleep(5000);
                     System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕");
                     latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();
 
         try {
            System.out.println("等待2个子线程执行完毕...");
            latch.await();
            System.out.println("2个子线程已经执行完毕");
            System.out.println("继续执行主线程");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
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输出结果:

线程Thread-0正在执行
线程Thread-1正在执行
等待2个子线程执行完毕...
线程Thread-0执行完毕
线程Thread-1执行完毕
2个子线程已经执行完毕
继续执行主线程
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CyclicBarrier

字面意思回环栅栏,通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后,CyclicBarrier可以被重用。我们暂且把这个状态就叫做barrier,当调用await()方法之后,线程就处于barrier了.

CyclicBarrier类位于java.util.concurrent包下,CyclicBarrier提供2个构造器:

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
}
 
public CyclicBarrier(int parties) {
}
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参数parties指让多少个线程或者任务等待至barrier状态;参数barrierAction为当这些线程都达到barrier状态时会执行的内容。

然后CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法,它有2个重载版本:

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };

public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { };
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第一个版本比较常用,用来挂起当前线程,直至所有线程都到达barrier状态再同时执行后续任务;

第二个版本是让这些线程等待至一定的时间,如果还有线程没有到达barrier状态就直接让到达barrier的线程执行后续任务。

下面举几个例子就明白了:

假若有若干个线程都要进行写数据操作,并且只有所有线程都完成写数据操作之后,这些线程才能继续做后面的事情,此时就可以利用CyclicBarrier了. 另外CyclicBarrier是可以重用的,看下面这个例子::

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("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      //以睡眠来模拟写入数据操作
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");
 
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有线程写入完毕,继续处理其他任务...");
        }
    }
}
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输出:

线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-3写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-2写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-0写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
Thread-0所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-3所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-1所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-2所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
CyclicBarrier重用
线程Thread-4正在写入数据...
线程Thread-5正在写入数据...
线程Thread-6正在写入数据...
线程Thread-7正在写入数据...
线程Thread-7写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-5写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-6写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-4写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
Thread-4所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-5所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-6所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-7所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
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Semaphore

Semaphore翻译成字面意思为 信号量,Semaphore可以控同时访问的线程个数,通过 acquire() 获取一个许可,如果没有就等待,而 release() 释放一个许可。

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);
}
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下面说一下Semaphore类中比较重要的几个方法,首先是acquire()、release()方法:

public void acquire() throws InterruptedException {  }     //获取一个许可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { }    //获取permits个许可
public void release() { }          //释放一个许可
public void release(int permits) { }    //释放permits个许可
acquire()用来获取一个许可,若无许可能够获得,则会一直等待,直到获得许可。
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release()用来释放许可。注意,在释放许可之前,必须先获获得许可。

这4个方法都会被阻塞,如果想立即得到执行结果,可以使用下面几个方法:

public boolean tryAcquire() { };    //尝试获取一个许可,若获取成功,则立即返回true,若获取失败,则立即返回false
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //尝试获取一个许可,若在指定的时间内获取成功,则立即返回true,否则则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; //尝试获取permits个许可,若获取成功,则立即返回true,若获取失败,则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //尝试获取permits个许可,若在指定的时间内获取成功,则立即返回true,否则则立即返回false
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另外还可以通过availablePermits()方法得到可用的许可数目。

下面通过一个例子来看一下Semaphore的具体使用:

假若一个工厂有5台机器,但是有8个工人,一台机器同时只能被一个工人使用,只有使用完了,其他工人才能继续使用。那么我们就可以通过Semaphore来实现:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 8;            //工人数
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目
        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+"占用一个机器在生产...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("工人"+this.num+"释放出机器");
                semaphore.release();           
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
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执行结果

工人0占用一个机器在生产...
工人1占用一个机器在生产...
工人2占用一个机器在生产...
工人4占用一个机器在生产...
工人5占用一个机器在生产...
工人0释放出机器
工人2释放出机器
工人3占用一个机器在生产...
工人7占用一个机器在生产...
工人4释放出机器
工人5释放出机器
工人1释放出机器
工人6占用一个机器在生产...
工人3释放出机器
工人7释放出机器
工人6释放出机器
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下面对上面说的三个辅助类进行一个总结:

  1. CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待,只不过它们侧重点不同: 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;另外,CountDownLatch是不能够重用的,而CyclicBarrier是可以重用的。

  2. Semaphore其实和锁有点类似,它一般用于控制对某组资源的访问权限。

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