CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 用法總結

simon_chen 發布于2019-08-16 10:53 / 1499人閱讀

摘要：叫做回環是因為當所有等待線程都被釋放以后，可以被重用。我們暫且把這個狀態就叫做，當調用方法之后，線程就處于了。

CountDownLatch

CountDownLatch 類位于 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

代碼實現

package sychronized;

import static net.mindview.util.Print.*;
import java.util.concurrent.*;

class Task implements Runnable{
    private static int count = 0;
    private final int id = count++;
    final CountDownLatch latch ;
    public Task(CountDownLatch latch){
        this.latch = latch;
    }
    
    @Override
    public void run(){
        try {
            print(this+"正在執行");
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3000);
            print(this+"執行完畢");
            latch.countDown();
        } catch (InterruptedException e) {
            print(this + " 被中斷");
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Task-"+id;
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        
        exec.execute(new Task(latch));
        exec.execute(new Task(latch));
        
        try {
            print("等待2個子線程執行完畢...");
            long start = System.currentTimeMillis();
            latch.await();
            long end = System.currentTimeMillis();
            
            print("2個子線程已經執行完畢 "+(end - start));
            print("繼續執行主線程");
        }catch (InterruptedException e){
            print("主線程被中斷");
        }
        exec.shutdown();
    }
}

#輸出結果：
等待2個子線程執行完畢...
Task-0正在執行
Task-1正在執行
Task-0執行完畢
Task-1執行完畢
2個子線程已經執行完畢 3049
繼續執行主線程

CyclicBarrier

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，線程就處于barrier了。

CyclicBarrier類位于java.util.concurrent包下，CyclicBarrier提供2個構造器：

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

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {}
public CyclicBarrier(int parties) {}

然后CyclicBarrier中最重要的方法就是 await 方法，它有2個重載版本：

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。

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };
public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { };

代碼展示

package sychronized;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;
import static net.mindview.util.Print.*;

class WriteTask implements Runnable{
    private static int count = 0;
    private final int id = count++;
    private CyclicBarrier barrier ;
    private static Random random = new Random(47);
    public WriteTask(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
        this.barrier = cyclicBarrier;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        print(this+"開始寫入數據...");
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(random.nextInt(5000));      //以睡眠來模擬寫入數據操作
            print(this+"寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢"+" "+System.currentTimeMillis());
            barrier.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            print(this + "is interrupted!");
        }catch(BrokenBarrierException e){
           throw new RuntimeException(e);
        }
        print("所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... "+System.currentTimeMillis());
    }

    @Override
    public String toString() {
        return getClass().getSimpleName()+"-"+id;
    }
}

public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        for(int i = 0; i < N; ++i){
            exec.execute(new WriteTask(barrier));
        }
        exec.shutdown();
    }
}

#輸出結果：
WriteTask-3 開始寫入數據...
WriteTask-2 開始寫入數據...
WriteTask-1 開始寫入數據...
WriteTask-0 開始寫入數據...
WriteTask-2 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512048648904
WriteTask-1 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512048650042
WriteTask-0 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512048650209
WriteTask-3 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512048652606
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512048652607
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512048652607
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512048652607
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512048652607

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：

package sychronized;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;
import static net.mindview.util.Print.*;

class WriteTask implements Runnable{
    private static int count = 0;
    private final int id = count++;
    private CyclicBarrier barrier ;
    private static Random random = new Random(47);
    public WriteTask(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
        this.barrier = cyclicBarrier;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        print(this+" 開始寫入數據...");
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(random.nextInt(5000));      //以睡眠來模擬寫入數據操作
            print(this+" 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢"+" "+System.currentTimeMillis());
            barrier.await();
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            print(this + "is interrupted!");
        }catch(BrokenBarrierException e){
           throw new RuntimeException(e);
        }
        print("所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... "+System.currentTimeMillis()+Thread.currentThread());
    }

    @Override
    public String toString() {
        return getClass().getSimpleName()+"-"+id;
    }
}

public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                print(Thread.currentThread());
            }
        });
     
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        for(int i = 0; i < N; ++i){
            exec.execute(new WriteTask(barrier));
        }
        exec.shutdown();
    }
}
#輸出結果為：
WriteTask-3 開始寫入數據...
WriteTask-1 開始寫入數據...
WriteTask-2 開始寫入數據...
WriteTask-0 開始寫入數據...
WriteTask-1 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512049061954
WriteTask-2 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512049063092
WriteTask-0 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512049063261
WriteTask-3 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512049065657
Thread[pool-1-thread-4,5,main]
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512049065668Thread[pool-1-thread-2,5,main]
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512049065668Thread[pool-1-thread-1,5,main]
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512049065668Thread[pool-1-thread-4,5,main]
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512049065668Thread[pool-1-thread-3,5,main]

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。

另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面這個例子：

package sychronized;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;
import static net.mindview.util.Print.*;

class WriteTask implements Runnable{
    private static int count = 0;
    private final int id = count++;
    private CyclicBarrier barrier ;
    private static Random random = new Random(47);
    public WriteTask(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
        this.barrier = cyclicBarrier;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        
        while (!Thread.interrupted()){
            print(this+" 開始寫入數據...");
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(random.nextInt(5000));      //以睡眠來模擬寫入數據操作
                print(this+" 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢"+" "+System.currentTimeMillis());
                barrier.await();
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                print(this + "is interrupted!");
            }catch(BrokenBarrierException e){
                throw new RuntimeException(e);
            }
            print("所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... "+System.currentTimeMillis());
        }
       
    }

    @Override
    public String toString() {
        return getClass().getSimpleName()+"-"+id;
    }
}

class CyclicBarrierManager implements Runnable{
    private CyclicBarrier barrier ;
    private ExecutorService exec;
    public CyclicBarrierManager(CyclicBarrier barrier, ExecutorService exec,int N){
        this.barrier = barrier ;
        this.exec = exec;
        for (int i = 0; i < N-1; ++i){
            exec.execute(new WriteTask(barrier));
        }
    }
    
    @Override
    public void run(){
        while (!Thread.interrupted()){
            try {
                barrier.await();
            }catch (InterruptedException e){
                print(getClass().getSimpleName()+" 被中斷了！");
            }catch (BrokenBarrierException e){
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        exec.execute(new CyclicBarrierManager(barrier,exec,N));
        exec.shutdown();
    }
}

#輸出結果：
WriteTask-1 開始寫入數據...
WriteTask-2 開始寫入數據...
WriteTask-0 開始寫入數據...
WriteTask-2 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051484365
WriteTask-0 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051485503
WriteTask-1 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051488068
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051488078
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051488078
WriteTask-2 開始寫入數據...
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051488078
WriteTask-1 開始寫入數據...
WriteTask-0 開始寫入數據...
WriteTask-0 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051488513
WriteTask-1 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051489045
WriteTask-2 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051489945
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051489955
WriteTask-0 開始寫入數據...
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051489955
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051489955
WriteTask-2 開始寫入數據...
WriteTask-1 開始寫入數據...
WriteTask-2 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051490155
WriteTask-1 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051494477
WriteTask-0 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051494823
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051494833
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051494833
WriteTask-0 開始寫入數據...
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051494833
WriteTask-1 開始寫入數據...
WriteTask-2 開始寫入數據...
WriteTask-2 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051494961
WriteTask-0 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051496040
WriteTask-1 寫入數據完畢，等待其他線程寫入完畢 1512051498121
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051498132
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051498132
WriteTask-1 開始寫入數據...
所有任務寫入完畢，繼續處理其他任務... 1512051498132

Semaphore

Semaphore翻譯成字面意思為信號量，Semaphore 可以同時讓多個線程同時訪問共享資源，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類位于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

package sychronized;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;
import static net.mindview.util.Print.*;

class Worker implements Runnable{
    private static int count = 0;
    private final int id = count++;
    private int finished = 0;
    private Random random = new Random(47);
    private Semaphore semaphore;
    public Worker(Semaphore semaphore){
        this.semaphore = semaphore;
    }
    
    @Override 
    public void run(){
        try {
            while (!Thread.interrupted()){
                semaphore.acquire();
                print(this+" 占用一個機器在生產...   ");
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(random.nextInt(2000));
                synchronized (this){
                    print(" 已經生產了"+(++finished)+"個產品,"+"釋放出機器");
                }
                semaphore.release();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return getClass().getSimpleName()+"-"+id;
    }
}

public class SemaphoreTest {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 8;            //工人數
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //機器數目
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < N; ++i){
            exec.execute(new Worker(semaphore));
        }
        exec.shutdown();
    }
}

總結

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 一般用于某個線程A等待若干個其他線程執行完任務之后，它才執行；

CyclicBarrier 一般用于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；

CountDownLatch 是不能夠重用的，而 CyclicBarrier 是可以重用的。

Semaphore 其實和鎖有點類似，它一般用于控制對某組資源的訪問權限，而鎖是控制對某個資源的訪問權限。

云服務器 GPU云服務器 CyclicBarrier CountDownLatch Semaphore 年終總結

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