Java 锁相关详解【七、Java 并发工具类全景图：Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier 与 Phaser】

Java 并发工具类全景图：Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier 与 Phaser

在前几篇文章中，我们已经深入解析了 Java 锁机制以及 AQS 的底层实现原理。
AQS 并不仅仅是 ReentrantLock 的基础，它还是一整套并发工具类的核心支撑。

在 高并发编程 中，除了锁以外，我们经常需要：

• 控制线程访问资源的数量；
• 等待一组线程执行完毕；
• 让一批线程在同一时刻同步执行；
• 管理分阶段的并发任务。

JUC 提供了四个重要的工具类来解决这些问题：

• Semaphore
• CountDownLatch
• CyclicBarrier
• Phaser

本文将对它们逐一解析，并比较适用场景。

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一、Semaphore：信号量

1.1 概念

Semaphore（信号量）用于控制 同时访问某个资源的线程数量。
本质上，Semaphore 维护了一个许可数 state（由 AQS 共享模式管理）。

• acquire()：请求一个许可，如果没有可用的许可，则阻塞。
• release()：释放一个许可，唤醒等待线程。

1.2 示例：限流

Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 最多允许 3 个线程同时访问

Runnable task = () -> {
    try {
        semaphore.acquire();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得许可");
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    } finally {
        semaphore.release();
    }
};

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    new Thread(task).start();
}

输出结果显示，任意时刻最多只有 3 个线程执行。

1.3 应用场景

• 数据库连接池限流
• 接口请求限流
• 控制并发访问资源

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二、CountDownLatch：倒计时门闩

2.1 概念

CountDownLatch 用于 等待一组线程完成任务。

• 初始化时设置计数器值 N。
• 每次调用 countDown() 计数器减 1。
• 调用 await() 的线程会阻塞，直到计数器为 0。

2.2 示例：等待任务完成

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行完成");
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            latch.countDown();
        }
    }).start();
}

latch.await();
System.out.println("所有任务完成，主线程继续执行");

2.3 应用场景

• 并行任务汇总（等待所有子任务完成后再继续）。
• 服务启动依赖（主线程等待多个模块加载完成）。

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三、CyclicBarrier：循环屏障

3.1 概念

CyclicBarrier 用于 让一组线程在屏障点相互等待，直到所有线程都到达后才一起继续执行。

与 CountDownLatch 的区别：

• CountDownLatch 是一次性的；
• CyclicBarrier 可重用（循环屏障）。

3.2 示例：多人游戏加载

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, 
    () -> System.out.println("所有玩家已就绪，开始游戏！"));

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在加载...");
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000));
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 加载完成");
            barrier.await(); // 等待其他线程
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();
}

3.3 应用场景

• 多人协作任务（所有线程必须到齐才能执行下一步）。
• 并行计算阶段同步（如 MapReduce 的阶段切换）。

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四、Phaser：分阶段同步器

4.1 概念

Phaser 是 JDK 7 引入的 分阶段同步器，功能更强大，替代部分 CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的使用场景。

它允许：

• 动态注册/注销参与方；
• 多阶段的同步；
• 更灵活的任务协调。

4.2 示例：多阶段任务

Phaser phaser = new Phaser(3); // 初始 3 个线程

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    new Thread(() -> {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 阶段1开始");
        phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待其他线程

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 阶段2开始");
        phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待其他线程
    }).start();
}

4.3 应用场景

• 分阶段计算任务（如多轮迭代的科学计算）。
• 动态线程参与（如并发下载，任务可随时加入或退出）。

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五、工具类对比

工具类	核心机制	是否可重用	典型应用场景
Semaphore	信号量许可	是	并发访问控制（限流、资源池）
CountDownLatch	倒计时	否	等待多个线程完成（一次性）
CyclicBarrier	屏障同步	是	阶段性任务同步（固定线程数）
Phaser	分阶段屏障	是	多阶段任务、动态参与者

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六、工程实践建议

1. 并发限流 → 用 Semaphore

   • 控制访问资源的最大并发数。

2. 一次性等待多个线程完成 → 用 CountDownLatch

   • 典型场景：主线程等待多个子任务完成。

3. 阶段性同步 → 用 CyclicBarrier

   • 多个线程需要同时进入下一阶段。

4. 多阶段、动态参与 → 用 Phaser

   • 更复杂的分阶段任务调度。

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七、总结

• Semaphore：控制并发资源访问数，适合限流场景。
• CountDownLatch：一次性等待任务完成，适合任务汇总。
• CyclicBarrier：阶段性同步点，适合需要多线程对齐的计算。
• Phaser：支持动态参与的分阶段同步器，适合复杂任务。

一句话总结：
掌握这四个工具类，可以让你在不同的并发控制场景下游刃有余，选择合适的工具胜过手写复杂的同步逻辑。