Java并发编程:CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

Java并发编程:CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

  在java 1.5中,提供了一些非常有用的辅助类来帮助我们进行并发编程,比如CountDownLatch,CyclicBarrier和Semaphore,今天我们就来学习一下这三个辅助类的用法。

  以下是本文目录大纲:

  一.CountDownLatch用法

  二.CyclicBarrier用法

  三.Semaphore用法

  若有不正之处请多多谅解,并欢迎批评指正。

  请尊重作者劳动成果,转载请标明原文链接:

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一.CountDownLatch用法

  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

   下面看一个例子大家就清楚CountDownLatch的用法了:

public class Test {
	 public static void main(String[] args) {    
		 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(3000);
					 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();
		}
	 } 
}

   执行结果:

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
View Code

二.CyclicBarrier用法

  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) {
}

  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 { };

   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:

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();
	} 
	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("所有线程写入完毕,继续处理其他任务...");
		}
	}
}

   执行结果:

线程Thread-0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正在写入数据...
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
线程Thread-3写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-1写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
View Code

  从上面输出结果可以看出,每个写入线程执行完写数据操作之后,就在等待其他线程写入操作完毕。

  当所有线程线程写入操作完毕之后,所有线程就继续进行后续的操作了。

  如果说想在所有线程写入操作完之后,进行额外的其他操作可以为CyclicBarrier提供Runnable参数:

public class Test {
	public static void main(String[] args) {
		int N = 4;
		CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N,new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName());	
			}
		});
		
		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("所有线程写入完毕,继续处理其他任务...");
		}
	}
}

   运行结果:

线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-0写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-1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-3写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
当前线程Thread-3
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
View Code

  从结果可以看出,当四个线程都到达barrier状态后,会从四个线程中选择一个线程去执行Runnable。

   下面看一下为await指定时间的效果:

public class Test {
	public static void main(String[] args) {
		int N = 4;
		CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);
		
		for(int i=0;i<N;i++) {
			if(i<N-1)
				new Writer(barrier).start();
			else {
				try {
					Thread.sleep(5000);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				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");
				try {
					cyclicBarrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
				} catch (TimeoutException e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			} 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...");
		}
	}
}

   执行结果:

线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
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
线程Thread-1写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-3正在写入数据...
java.util.concurrent.TimeoutException
Thread-1所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-0所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)
    at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)
    at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)
    at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)
Thread-2所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
线程Thread-3写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)
    at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)
Thread-3所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
View Code

  上面的代码在main方法的for循环中,故意让最后一个线程启动延迟,因为在前面三个线程都达到barrier之后,等待了指定的时间发现第四个线程还没有达到barrier,就抛出异常并继续执行后面的任务。

  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...");
		}
	}
}

   执行结果:

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...
View Code

  从执行结果可以看出,在初次的4个线程越过barrier状态后,又可以用来进行新一轮的使用。而CountDownLatch无法进行重复使用。

三.Semaphore用法

  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);
}

   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。

  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

   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();
			}
		}
	}
}

    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
View Code

  

  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。

  参考资料:

  《Java编程思想》

  http://www.itzhai.com/the-introduction-and-use-of-a-countdownlatch.html

  http://leaver.me/archives/3220.html

  http://developer.51cto.com/art/201403/432095.htm

  http://blog.csdn.net/yanhandle/article/details/9016329

  http://blog.csdn.net/cutesource/article/details/5780740

  http://www.cnblogs.com/whgw/archive/2011/09/29/2195555.html

posted @ 2014-09-03 19:35 海 子 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏