Java并发之CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

CountDownLatch 是能使一组线程等另一组线程都跑完了再继续跑；CyclicBarrier 能够使一组线程在一个时间点上达到同步，可以是一起开始执行全部任务或者一部分任务。

这次说一下 JUC 中的同步器三个主要的成员：CountDownLatch、CyclicBarrier 和 Semaphore（不知道有没有初学者觉得这三个的名字不太好记）。这三个是 JUC 中较为常用的同步器，通过它们可以方便地实现很多线程之间协作的功能。（下面的代码出自 JDK 文档）

CountDownLatch

直译过来就是倒计数(CountDown)门闩(Latch)。倒计数不用说，门闩的意思顾名思义就是阻止前进。在这里就是指 CountDownLatch.await() 方法在倒计数为0之前会阻塞当前线程。

作用

CountDownLatch 的作用和 Thread.join() 方法类似，可用于一组线程和另外一组线程的协作。例如，主线程在做一项工作之前需要一系列的准备工作，只有这些准备工作都完成，主线程才能继续它的工作。这些准备工作彼此独立，所以可以并发执行以提高速度。在这个场景下就可以使用 CountDownLatch 协调线程之间的调度了。在直接创建线程的年代（Java 5.0 之前），我们可以使用 Thread.join()。在 JUC 出现后，因为线程池中的线程不能直接被引用，所以就必须使用 CountDownLatch 了。

示例

下面的这个例子可以理解为 F1 赛车的维修过程，只有 startSignal （可以表示停车，可能名字不太贴合）命令下达之后，维修工才开始干活，只有等所有工人完成工作之后，赛车才能继续。

class Driver { // ...
    void main() throws InterruptedException {
        CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);

        for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads
            new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();

        doSomethingElse();            // don't let run yet
        startSignal.countDown();      // let all threads proceed
        doSomethingElse();
        doneSignal.await();           // wait for all to finish
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private final CountDownLatch startSignal;
    private final CountDownLatch doneSignal;
    Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {
        this.startSignal = startSignal;
        this.doneSignal = doneSignal;
    }
    public void run() {
        try {
            startSignal.await();
            doWork();
            doneSignal.countDown();
        } catch (InterruptedException ex) {} // return;
    }

    void doWork() { ... }
}

当 startSignal.await() 会阻塞线程，当 startSignal.countDown() 被调用之后，所有 Worker 线程开始执行 doWork() 方法，所以 Worker。doWork() 是几乎同时开始执行的。当 Worker.doWork() 执行完毕后，调用 doneSignal.countDown()，在所有 Worker 线程执行完毕之后，主线程继续执行。

CyclicBarrier

CyclicBarrier 翻译过来叫循环栅栏、循环障碍什么的（还是有点别扭的。所以还是别翻译了，只可意会不可言传啊）。它主要的方法就是一个：await()。await() 方法没被调用一次，计数便会减少1，并阻塞住当前线程。当计数减至0时，阻塞解除，所有在此 CyclicBarrier 上面阻塞的线程开始运行。在这之后，如果再次调用 await() 方法，计数就又会变成 N-1，新一轮重新开始，这便是 Cyclic 的含义所在。

CyclicBarrier 的使用并不难，但需要主要它所相关的异常。除了常见的异常，CyclicBarrier.await() 方法会抛出一个独有的 BrokenBarrierException。这个异常发生在当某个线程在等待本 CyclicBarrier 时被中断或超时或被重置时，其它同样在这个 CyclicBarrier 上等待的线程便会受到 BrokenBarrierException。意思就是说，同志们，别等了，有个小伙伴已经挂了，咱们如果继续等有可能会一直等下去，所有各回各家吧。

CyclicBarrier.await() 方法带有返回值，用来表示当前线程是第几个到达这个 Barrier 的线程。

和 CountDownLatch 一样，CyclicBarrier 同样可以可以在构造函数中设定总计数值。与 CountDownLatch 不同的是，CyclicBarrier 的构造函数还可以接受一个 Runnable，会在 CyclicBarrier 被释放时执行。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

/** *//**
 * CyclicBarrier类似于CountDownLatch也是个计数器，
 * 不同的是CyclicBarrier数的是调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数，
 * 当线程数达到了CyclicBarrier初始时规定的数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。
 * CyclicBarrier就象它名字的意思一样，可看成是个障碍，
 * 所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。
 * CyclicBarrier初始时还可带一个Runnable的参数，
 * 此Runnable任务在CyclicBarrier的数目达到后，所有其它线程被唤醒前被执行。
 */
public class CyclicBarrierTest {

    public static class ComponentThread implements Runnable {
        CyclicBarrier barrier;// 计数器
        int ID;    // 组件标识
        int[] array;    // 数据数组

        // 构造方法
        public ComponentThread(CyclicBarrier barrier, int[] array, int ID) {
            this.barrier = barrier;
            this.ID = ID;
            this.array = array;
        }

        public void run() {
            try {
                array[ID] = new Random().nextInt(100);
                System.out.println("Component " + ID + " generates: " + array[ID]);
                // 在这里等待Barrier处
                System.out.println("Component " + ID + " sleep");
                barrier.await();
                System.out.println("Component " + ID + " awaked");
                // 计算数据数组中的当前值和后续值
                int result = array[ID] + array[ID + 1];
                System.out.println("Component " + ID + " result: " + result);
            } catch (Exception ex) {
            }
        }
    }
    /** *//**
     * 测试CyclicBarrier的用法
     */
    public static void testCyclicBarrier() {
        final int[] array = new int[3];
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2, new Runnable() {
            // 在所有线程都到达Barrier时执行
            public void run() {
                System.out.println("testCyclicBarrier run");
                array[2] = array[0] + array[1];
            }
        });

        // 启动线程
        new Thread(new ComponentThread(barrier, array, 0)).start();
        new Thread(new ComponentThread(barrier, array, 1)).start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrierTest.testCyclicBarrier();
    }
}

三、Semaphore 信号量

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。

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();
            }
        }
    }
}