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大白话说java并发工具类-CountDownLatch,CyclicBarrier

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1. 倒计时器 CountDownLatch

在多线程协作完成业务功能时,有时候需要等待其他多个线程完成任务之后,主线程才能继续往下执行业务功能,在这种的业务场景下,通常可以使用 Thread 类的 join 方法,让主线程等待被 join 的线程执行完之后,主线程才能继续往下执行。当然,使用线程间消息通信机制也可以完成。其实,java 并发工具类中为我们提供了类似“倒计时”这样的工具类,可以十分方便的完成所说的这种业务场景。

为了能够理解 CountDownLatch,举一个很通俗的例子,运动员进行跑步比赛时,假设有 6 个运动员参与比赛,裁判员在终点会为这 6 个运动员分别计时,可以想象没当一个运动员到达终点的时候,对于裁判员来说就少了一个计时任务。直到所有运动员都到达终点了,裁判员的任务也才完成。这 6 个运动员可以类比成 6 个线程,当线程调用 CountDownLatch.countDown 方法时就会对计数器的值减一,直到计数器的值为 0 的时候,裁判员(调用 await 方法的线程)才能继续往下执行。

下面来看些 CountDownLatch 的一些重要方法。

先从 CountDownLatch 的构造方法看起:

public CountDownLatch(int count)
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构造方法会传入一个整型数 N,之后调用 CountDownLatch 的countDown方法会对 N 减一,知道 N 减到 0 的时候,当前调用await方法的线程继续执行。

CountDownLatch 的方法不是很多,将它们一个个列举出来:

  1. await() throws InterruptedException:调用该方法的线程等到构造方法传入的 N 减到 0 的时候,才能继续往下执行;
  2. await(long timeout, TimeUnit unit):与上面的 await 方法功能一致,只不过这里有了时间限制,调用该方法的线程等到指定的 timeout 时间后,不管 N 是否减至为 0,都会继续往下执行;
  3. countDown():使 CountDownLatch 初始值 N 减 1;
  4. long getCount():获取当前 CountDownLatch 维护的值;

下面用一个具体的例子来说明 CountDownLatch 的具体用法:

public class CountDownLatchDemo {
private static CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
//用来表示裁判员需要维护的是6个运动员
private static CountDownLatch endSignal = new CountDownLatch(6);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(6); for (int i = 0; i < 6; i++) { executorService.execute(() -> { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运动员等待裁判员响哨!!!"); startSignal.await(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在全力冲刺"); endSignal.countDown(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 到达终点"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); } System.out.println("裁判员发号施令啦!!!"); startSignal.countDown(); endSignal.await(); System.out.println("所有运动员到达终点,比赛结束!"); executorService.shutdown(); } } 输出结果:

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pool-1-thread-2 运动员等待裁判员响哨!!! pool-1-thread-3 运动员等待裁判员响哨!!! pool-1-thread-1 运动员等待裁判员响哨!!! pool-1-thread-4 运动员等待裁判员响哨!!! pool-1-thread-5 运动员等待裁判员响哨!!! pool-1-thread-6 运动员等待裁判员响哨!!! 裁判员发号施令啦!!! pool-1-thread-2正在全力冲刺 pool-1-thread-2 到达终点 pool-1-thread-3正在全力冲刺 pool-1-thread-3 到达终点 pool-1-thread-1正在全力冲刺 pool-1-thread-1 到达终点 pool-1-thread-4正在全力冲刺 pool-1-thread-4 到达终点 pool-1-thread-5正在全力冲刺 pool-1-thread-5 到达终点 pool-1-thread-6正在全力冲刺 pool-1-thread-6 到达终点 所有运动员到达终点,比赛结束! 复制代码

该示例代码中设置了两个 CountDownLatch,第一个endSignal用于控制让 main 线程(裁判员)必须等到其他线程(运动员)让 CountDownLatch 维护的数值 N 减到 0 为止。另一个startSignal用于让 main 线程对其他线程进行“发号施令”,startSignal 引用的 CountDownLatch 初始值为 1,而其他线程执行的 run 方法中都会先通过 startSignal.await()让这些线程都被阻塞,直到 main 线程通过调用startSignal.countDown();,将值 N 减 1,CountDownLatch 维护的数值 N 为 0 后,其他线程才能往下执行,并且,每个线程执行的 run 方法中都会通过endSignal.countDown();endSignal维护的数值进行减一,由于往线程池提交了 6 个任务,会被减 6 次,所以endSignal维护的值最终会变为 0,因此 main 线程在latch.await();阻塞结束,才能继续往下执行。

另外,需要注意的是,当调用 CountDownLatch 的 countDown 方法时,当前线程是不会被阻塞,会继续往下执行,比如在该例中会继续输出pool-1-thread-4 到达终点

2. 循环栅栏:CyclicBarrier

CyclicBarrier 也是一种多线程并发控制的实用工具,和 CountDownLatch 一样具有等待计数的功能,但是相比于 CountDownLatch 功能更加强大。

为了理解 CyclicBarrier,这里举一个通俗的例子。开运动会时,会有跑步这一项运动,我们来模拟下运动员入场时的情况,假设有 6 条跑道,在比赛开始时,就需要 6 个运动员在比赛开始的时候都站在起点了,裁判员吹哨后才能开始跑步。跑道起点就相当于“barrier”,是临界点,而这 6 个运动员就类比成线程的话,就是这 6 个线程都必须到达指定点了,意味着凑齐了一波,然后才能继续执行,否则每个线程都得阻塞等待,直至凑齐一波即可。cyclic 是循环的意思,也就是说 CyclicBarrier 当多个线程凑齐了一波之后,仍然有效,可以继续凑齐下一波。CyclicBarrier 的执行示意图如下:

CyclicBarrier执行示意图.jpg
CyclicBarrier执行示意图.jpg

当多个线程都达到了指定点后,才能继续往下继续执行。这就有点像报数的感觉,假设 6 个线程就相当于 6 个运动员,到赛道起点时会报数进行统计,如果刚好是 6 的话,这一波就凑齐了,才能往下执行。**CyclicBarrier 在使用一次后,下面依然有效,可以继续当做计数器使用,这是与 CountDownLatch 的区别之一。**这里的 6 个线程,也就是计数器的初始值 6,是通过 CyclicBarrier 的构造方法传入的。

下面来看下 CyclicBarrier 的主要方法:

//等到所有的线程都到达指定的临界点
await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException

//与上面的await方法功能基本一致,只不过这里有超时限制,阻塞等待直至到达超时时间为止 await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException

//获取当前有多少个线程阻塞等待在临界点上 int getNumberWaiting()

//用于查询阻塞等待的线程是否被中断 boolean isBroken()

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//将屏障重置为初始状态。如果当前有线程正在临界点等待的话,将抛出BrokenBarrierException。 void reset() 复制代码

另外需要注意的是,CyclicBarrier 提供了这样的构造方法:

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
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可以用来,当指定的线程都到达了指定的临界点的时,接下来执行的操作可以由 barrierAction 传入即可。

一个例子

下面用一个简单的例子,来看下 CyclicBarrier 的用法,我们来模拟下上面的运动员的例子。

public class CyclicBarrierDemo {
    //指定必须有6个运动员到达才行
    private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(6, () -> {
        System.out.println("所有运动员入场,裁判员一声令下!!!!!");
    });
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("运动员准备进场,全场欢呼............");
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(6);
    for (int i = 0; i &lt; 6; i++) {
        service.execute(() -&gt; {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运动员,进场");
                barrier.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  运动员出发");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
}
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}

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输出结果: 运动员准备进场,全场欢呼............ pool-1-thread-2 运动员,进场 pool-1-thread-1 运动员,进场 pool-1-thread-3 运动员,进场 pool-1-thread-4 运动员,进场 pool-1-thread-5 运动员,进场 pool-1-thread-6 运动员,进场 所有运动员入场,裁判员一声令下!!!!! pool-1-thread-6 运动员出发 pool-1-thread-1 运动员出发 pool-1-thread-5 运动员出发 pool-1-thread-4 运动员出发 pool-1-thread-3 运动员出发 pool-1-thread-2 运动员出发 复制代码

从输出结果可以看出,当 6 个运动员(线程)都到达了指定的临界点(barrier)时候,才能继续往下执行,否则,则会阻塞等待在调用await()

3. CountDownLatch 与 CyclicBarrier 的比较

CountDownLatch 与 CyclicBarrier 都是用于控制并发的工具类,都可以理解成维护的就是一个计数器,但是这两者还是各有不同侧重点的:

  1. 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;CountDownLatch 强调一个线程等多个线程完成某件事情。CyclicBarrier 是多个线程互等,等大家都完成,再携手共进。
  2. 调用 CountDownLatch 的 countDown 方法后,当前线程并不会阻塞,会继续往下执行;而调用 CyclicBarrier 的 await 方法,会阻塞当前线程,直到 CyclicBarrier 指定的线程全部都到达了指定点的时候,才能继续往下执行;
  3. CountDownLatch 方法比较少,操作比较简单,而 CyclicBarrier 提供的方法更多,比如能够通过 getNumberWaiting(),isBroken()这些方法获取当前多个线程的状态,并且 CyclicBarrier 的构造方法可以传入 barrierAction,指定当所有线程都到达时执行的业务功能;
  4. CountDownLatch 是不能复用的,而 CyclicBarrier 是可以复用的。
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