Java线程并发工具类CountDownLatch原理及用法

时间:2021-04-02 人气:0

一、CountDownLatch

【1】CountDownLatch是什么？

CountDownLatch，英文翻译为倒计时锁存器，是一个同步辅助类，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。

闭锁可以延迟线程的进度直到其到达终止状态，闭锁可以用来确保某些活动直到其他活动都完成才继续执行：

确保某个计算在其需要的所有资源都被初始化之后才继续执行;
确保某个服务在其依赖的所有其他服务都已经启动之后才启动;
等待直到某个操作所有参与者都准备就绪再继续执行；

CountDownLatch有一个正数计数器，countDown()方法对计数器做减操作，await()方法等待计数器达到0。所有await的线程都会阻塞直到计数器为0或者等待线程中断或者超时。

闭锁(倒计时锁)主要用来保证完成某个任务的先决条件满足。是一个同步工具类，用来协调多个线程之间的同步。这个工具通常用来控制线程等待，它可以让某一个线程等待直到倒计时结束，再开始执行。

【2】CountDownLatch的两种典型用法

①某一线程在开始运行前等待n个线程执行完毕。

将 CountDownLatch 的计数器初始化为n ：new CountDownLatch(n)，每当一个任务线程执行完毕，就将计数器减1 countdownlatch.countDown()，当计数器的值变为0时，在CountDownLatch上 await() 的线程就会被唤醒。一个典型应用场景就是启动一个服务时，主线程需要等待多个组件加载完毕，之后再继续执行。

②实现多个线程开始执行任务的最大并行性。

注意是并行性，不是并发，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。做法是初始化一个共享的 CountDownLatch 对象，将其计数器初始化为 1 ：new CountDownLatch(1)，多个线程在开始执行任务前首先 coundownlatch.await()，当主线程调用 countDown() 时，计数器变为0，多个线程同时被唤醒。

如下例所示，在多线程运行的情况下，计算多线程耗费的时间：

public class TestCountDownLatch {
  //CountDownLatch 为唯一的、共享的资源
  static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);

  static class LatchDemo extends Thread{
    @Override
    public void run() {
      int sum = 0;
      for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        sum++;
      }
      System.out.println(getName()+"计算结果："+sum);
      countDownLatch.countDown();
    }
  }
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    long begin = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("开始了-----"+begin);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      new LatchDemo().start();
    }
    countDownLatch.await();

    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("结束了-----"+end);
    System.out.println("总共用时："+(end-begin));
  }
}

/**
开始了-----1571144894551
Thread-3计算结果：1000000
Thread-0计算结果：1000000
Thread-1计算结果：1000000
Thread-2计算结果：1000000
Thread-4计算结果：1000000
结束了-----1571144894559
总共用时：8
*/

二、CyclicBarrier

【1】CyclicBarrier是什么？
CyclicBarrier即栅栏类，与CountDownLatch类似。它能阻塞一组线程直到某个事件的发生。栅栏与闭锁的关键区别在于，所有的线程必须同时到达栅栏位置，才能继续执行。

CyclicBarrier可以使一定数量的线程反复地在栅栏位置处汇集。当线程到达栅栏位置时将调用await方法，这个方法将阻塞直到所有线程都到达栅栏位置。如果所有线程都到达栅栏位置，那么栅栏将打开，此时所有的线程都将被释放，而栅栏将被重置以便下次使用。

【2】CyclicBarrier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;
}

CyclicBarrier默认的构造方法是CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程使用await()方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

CyclicBarrier的另一个构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。

【3】CyclicBarrier应用示例

public class CyclicBarrierTest {
  // 自定义工作线程
  private static class Worker extends Thread {
    private CyclicBarrier cyclicBarrier;
    
    public Worker(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
      this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      super.run();
      
      try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始等待其他线程");
        cyclicBarrier.await();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
        // 工作线程开始处理，这里用Thread.sleep()来模拟业务处理
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
 
  public static void main(String[] args) {
    int threadCount = 3;
    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(threadCount);
    
    for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
      System.out.println("创建工作线程" + i);
      Worker worker = new Worker(cyclicBarrier);
      worker.start();
    }
  }
}
/**
创建工作线程0
创建工作线程1
Thread-0开始等待其他线程
创建工作线程2
Thread-1开始等待其他线程
Thread-2开始等待其他线程
Thread-2开始执行
Thread-0开始执行
Thread-1开始执行
Thread-1执行完毕
Thread-0执行完毕
Thread-2执行完毕
*/

在上述代码中，我们自定义的工作线程必须要等所有参与线程开始之后才可以执行，我们可以使用CyclicBarrier类来帮助我们完成。从程序的执行结果中也可以看出，所有的工作线程都运行await()方法之后都到达了栅栏位置，然后，3个工作线程才开始执行业务处理。

【4】CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置，可以使用多次，所以CyclicBarrier能够处理更为复杂的场景；
CyclicBarrier还提供了一些其他有用的方法，比如getNumberWaiting()方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量，isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断；
CountDownLatch允许一个或多个线程等待一组事件的产生，而CyclicBarrier用于等待其他线程运行到栅栏位置。

三、Semaphore

【1】Semaphore是什么？
信号量(Semaphore)，又被称为信号灯，在多线程环境下用于协调各个线程, 以保证它们能够正确、合理的使用公共资源。信号量维护了一个许可集，我们在初始化Semaphore时需要为这个许可集传入一个数量值，该数量值代表同一时间能访问共享资源的线程数量。

【2】Semaphore基本用法

线程可以通过acquire()方法获取到一个许可，然后对共享资源进行操作，注意如果许可集已分配完了，那么线程将进入等待状态，直到其他线程释放许可才有机会再获取许可，线程释放一个许可通过release()方法完成，"许可"将被归还给Semaphore。

【3】Semaphore实现互斥锁

public class TestSemaphore {
  //初始化为1，互斥信号量
  private final static Semaphore mutex = new Semaphore(1);

  static class thread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
      try {
        mutex.acquire();
        System.out.println(getName()+"开始工作");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }finally {
        //使用完成释放锁
        mutex.release();
        System.out.println("锁释放!!!");
      }
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      new Thread(new thread(),String.valueOf(i)).start();
    }
  }
}

创建一个数量为1的互斥信号量Semaphore，然后并发执行10个线程，在线程中利用Semaphore控制线程的并发执行，因为信号量数值只有1，因此每次只能一条线程执行，其他线程进入等待状态。

四、Callable、Future和FutureTask

Future接口，一般都是取回Callable执行的状态用的。其中的主要方法：

cancel，取消Callable的执行，当Callable还没有完成时
get，获得Callable的返回值
isCanceled，判断是否取消了
isDone，判断是否完成

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