CountDownLatch 与 CyclicBarrier 区别深度解析

CountDownLatch 与 CyclicBarrier 深度解析：并发编程中的“闸门”与“集合点”

在 Java 并发工具包 java.util.concurrent 中，CountDownLatch 与 CyclicBarrier 是最常用的两种线程同步辅助类。它们像是并发世界的两种“交通信号灯”：

• 一个控制“何时开闸”，

• 一个控制“所有人到齐再出发”。

虽然名字相似，但用途与机制大不相同。本文将带你从概念、源码、区别、应用场景到选型策略，全面理解这两个同步工具。

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一、前置概念：线程同步的意义

在多线程环境中，各个线程常常需要在某些时刻协调执行顺序。例如：

• 主线程需要等待多个子任务都完成；

• 多个线程需要在每一轮阶段计算后对齐；

• 某个操作需要所有线程同时开始。

传统做法是使用 wait()、notify()、synchronized 等低层机制，但编写复杂且容易出错。
CountDownLatch 与 CyclicBarrier 就是为了解决这种阶段性协调问题的高级抽象。

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二、CountDownLatch：一次性“闭锁闸门”

1. 原理简介

CountDownLatch 维护一个初始计数（count）。

• 调用 countDown() 会让计数减一；

• 当计数减到 0 时，所有在 await() 上等待的线程都会被释放。

它就像一道闸门：

• 计数没归零前，门是关闭的；

• 当所有“任务”报告完成后，门一次性打开。

2. 常见用法

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            // 执行子任务
            Thread.sleep(200);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " done");
        } catch (Exception ignored) {}
        latch.countDown(); // 任务完成后减一
    }).start();
}

// 主线程等待所有任务完成
latch.await();
System.out.println("All tasks finished, main thread proceeds");

输出类似：

Thread-0 done
Thread-1 done
Thread-2 done
All tasks finished, main thread proceeds

3. 特点

• 一次性使用：计数到 0 后就不能重置；

• 等待方不限于参与者：主线程、其他线程都可以 await()；

• 实现基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）；

• 典型场景：主线程等待多个子任务结束。

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三、CyclicBarrier：可循环“集合点”

1. 原理简介

CyclicBarrier 用于让固定数量的线程在每一阶段都相互等待。
只有当所有线程都到达屏障点后，屏障才会放行，让它们同时进入下一阶段。

之所以叫 Cyclic，是因为它可以自动复位，可多次使用。

2. 使用示例

int parties = 3;
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(parties, 
    () -> System.out.println("== 所有人到齐，开始下一阶段 =="));

for (int i = 0; i < parties; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            stageWork(1);
            barrier.await(); // 阶段1集合

            stageWork(2);
            barrier.await(); // 阶段2集合

            stageWork(3);    // 最后一阶段
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();
}

void stageWork(int stage) {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行阶段 " + stage);
    Thread.sleep(200 + (int)(Math.random()*300));
}

输出（顺序可能不同）：

Thread-1 执行阶段 1
Thread-2 执行阶段 1
Thread-0 执行阶段 1
== 所有人到齐，开始下一阶段 ==
Thread-2 执行阶段 2
Thread-0 执行阶段 2
Thread-1 执行阶段 2
== 所有人到齐，开始下一阶段 ==
Thread-1 执行阶段 3
Thread-2 执行阶段 3
Thread-0 执行阶段 3

每个阶段都要等全部线程到齐后，才能统一进入下一阶段。

3. 特点

• 参与者线程数固定（由构造参数 parties 指定）；

• 到齐自动释放并复位，可多轮循环使用；

• 可设置 barrier action（到齐时触发的回调逻辑）；

• 若某线程超时或中断，会导致屏障“破损”（BrokenBarrierException）；

• 实现基于 ReentrantLock + Condition。

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四、核心区别对比

项目	CountDownLatch	CyclicBarrier
用途	等待若干事件完成（一次性）	多线程阶段同步（可重复）
谁在等	任意线程	参与的所有线程
是否可复用	否，计数归零后失效	是，自动复位
控制逻辑	计数递减到 0 开闸	所有线程到齐开闸
回调机制	无	可设置 barrier action
异常机制	await() 可被中断	可抛 BrokenBarrierException
实现基础	AQS	ReentrantLock + Condition
常见场景	主线程等待子任务完成	分阶段并行任务、回合同步

口诀记忆：

Latch 等事件结束，一次开闸；Barrier 等人到齐，循环闸门。

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五、应用场景举例

✅ CountDownLatch

1. 主线程等待多个子任务完成

例如汇总多接口结果、并发加载数据源。

2. 系统初始化依赖

启动时等多个组件加载完再对外服务。

3. 并发压测

所有线程同时起跑（一个启动门）→ 同时统计完成（一个终点门）。

✅ CyclicBarrier

1. 分阶段计算任务

如并行矩阵迭代，每轮计算后需等所有线程同步再进入下一轮。

2. 分布式批量对齐

多个节点周期性计算指标，每一批计算完成后再统一写结果。

3. 多人游戏/竞赛回合

每个回合所有玩家行动完才统一结算下一回合。

4. 多阶段 ETL/清洗任务

各线程并行处理子表，每阶段完成一次汇总检查。

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六、源码机制简析

CountDownLatch

内部持有 Sync extends AbstractQueuedSynchronizer：

public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);
}
protected int tryAcquireShared(int ignored) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
protected boolean tryReleaseShared(int ignored) {
    int c, next;
    do { c = getState(); next = c-1; } while (!compareAndSetState(c, next));
    return next == 0;
}

状态值 state = 计数，归 0 时释放所有等待者。

CyclicBarrier

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    lock.lock();
    try {
        int index = --count;
        if (index == 0) { // 最后一个到达
            barrierCommand.run(); // 可选回调
            nextGeneration();     // 重置 count
            trip.signalAll();     // 唤醒所有等待者
        } else {
            while (index > 0) trip.await();
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

每轮结束自动进入下一代（generation），实现循环使用。

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七、选型建议

需求	推荐
主线程等待多个任务完成	✅ CountDownLatch
所有线程都要阶段对齐	✅ CyclicBarrier
需要多阶段复用	✅ CyclicBarrier
一次性同步（起跑/结束）	✅ CountDownLatch
参与者动态变化	✅ Phaser（更灵活）

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八、总结

• CountDownLatch 像一次性的倒计时闸门：计数归零，一次开闸。

• CyclicBarrier 像可重置的集合点：所有线程集合后一起出发，可多轮使用。

• 二者都是“同步工具”，但并不保证共享数据的线程安全，只控制执行时机。

• 使用时要注意线程超时、中断及异常破坏屏障的情况。

一句话收尾：

CountDownLatch 管“一次性等待”，CyclicBarrier 管“多阶段对齐”，理解它们的本质，就能优雅地写出同步且高效的并发程序。

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