java 并发之（一）同步器（synchronizer）CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore

 

来自：http://janeky.iteye.com/blog/769965

 

Java1.5提供了一个非常高效实用的多线程包：java.util.concurrent, 提供了大量高级工具，可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的Java多线程程序。从这篇blog起，我将跟大家一起共同学习这些新的Java多线程构件 

1. CountDownLatch （闭锁-倒数的锁）
    我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： 
“一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。 用给定的计数 初始化 CountDownLatch。由于调用了 countDown() 方法，所以在当前计数到达零之前，await 方法会一直受阻塞。之后，会释放所有等待的线程，await 的所有后续调用都将立即返回。这种现象只出现一次——计数无法被重置。如果需要重置计数，请考虑使用 CyclicBarrier。” 

    这就是说，CountDownLatch可以用来管理一组相关的线程执行，只需在主线程中调用CountDownLatch 的await方法（一直阻塞），让各个线程调用countDown方法。当所有的线程都只需完countDown了，await也顺利返回，不再阻塞了。在这样情况下尤其适用：将一个任务分成若干线程执行，等到所有线程执行完，再进行汇总处理。 

 

API：方法有await()、await(long timeout, TimeUnit unit)、countDown()、getCount()

    下面我举一个非常简单的例子。假设我们要打印1-100，最后再输出“Ok“。1-100的打印顺序不要求统一，只需保证“Ok“是在最后出现即可。 

    解决方案：我们定义一个CountDownLatch，然后开10个线程分别打印（n-1）*10+1至（n-1）*10+10。主线程中调用await方法等待所有线程的执行完毕，每个线程执行完毕后都调用countDown方法。最后再await返回后打印“Ok”。 

具体代码如下（本代码参考了JDK示例代码）： 

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
/**
 * 示例：CountDownLatch的使用举例
 * Mail: [e-mail]
 * @author janeky
 */
public class TestCountDownLatch {
    private static final int N = 10;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);
        CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);//开始执行信号

        for (int i = 1; i <= N; i++) {
            new Thread(new Worker(i, doneSignal, startSignal)).start();//线程启动了
        }
        System.out.println("begin------------");
        startSignal.countDown();//开始执行啦
        doneSignal.await();//等待所有的线程执行完毕
        System.out.println("Ok");

    }

    static class Worker implements Runnable {
        private final CountDownLatch doneSignal;
        private final CountDownLatch startSignal;
        private int beginIndex;

        Worker(int beginIndex, CountDownLatch doneSignal,
                CountDownLatch startSignal) {
            this.startSignal = startSignal;
            this.beginIndex = beginIndex;
            this.doneSignal = doneSignal;
        }

        public void run() {
            try {
                startSignal.await(); //等待开始执行信号的发布
                beginIndex = (beginIndex - 1) * 10 + 1;
                for (int i = beginIndex; i <= beginIndex + 10; i++) {
                    System.out.println(i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                doneSignal.countDown();
            }
        }
    }
}

    总结：CounDownLatch对于管理一组相关线程非常有用。上述示例代码中就形象地描述了两种使用情况。第一种是计算器为1，代表了两种状态，开关。（在netty框架socket客户端使用：客户端向服务端写数据之后，需要等待服务端的返回。用法：等待 countDownLatch.await(timeOut, TimeUnit.MILLISECONDS)，唤醒countDownLatch.countDown()）

第二种是计数器为N，代表等待N个操作完成。今后我们在编写多线程程序时，可以使用这个构件来管理一组独立线程的执行。 

2. CyclicBarrier （循环的栅栏）
    我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： 
    “一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中，这些线程必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier。 
    CyclicBarrier 支持一个可选的 Runnable 命令，在一组线程中的最后一个线程到达之后（但在释放所有线程之前），该命令只在每个屏障点运行一次。若在继续所有参与线程之前更新共享状态，此屏障操作 很有用。 

    我们在学习CountDownLatch的时候就提到了CyclicBarrier。两者究竟有什么联系呢？引用[JCIP]中的描述“The key difference is that with a barrier, all the threads must come together at a barrier point at the same time in order to proceed. Latches are for waiting for events; barriers are for waiting for other threads。CyclicBarrier等待所有的线程一起完成后再执行某个动作。这个功能CountDownLatch也同样可以实现。但是CountDownLatch更多时候是在等待某个事件的发生。在CyclicBarrier中，所有的线程调用await方法，等待其他线程都执行完。 

 

API：构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)、CyclicBarrier(int parties)

方法：await(long timeout, TimeUnit unit)、await()

    举一个很简单的例子，今天晚上我们哥们4个去Happy。就互相通知了一下：晚上八点准时到xx酒吧门前集合，不见不散！。有个哥们住的近，早早就到了。有的事务繁忙，刚好踩点到了。无论怎样，先来的都不能独自行动，只能等待所有人 

代码如下（参考了网上给的一些教程） 

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class TestCyclicBarrier {

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        final Random random=new Random();

        final CyclicBarrier barrier=new CyclicBarrier(4,new Runnable(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("大家都到齐了，开始happy去");
            }});

        for(int i=0;i<4;i++){
            exec.execute(new Runnable(){
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"到了，其他哥们呢");
                    try {
                        barrier.await();//等待其他哥们
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }});
        }
        exec.shutdown();
    }

}

    关于await方法要特别注意一下，它有可能在阻塞的过程中由于某些原因被中断 

    总结：CyclicBarrier就是一个栅栏，等待所有线程到达后再执行相关的操作。barrier 在释放等待线程后可以重用。

 

 

 

3. Semaphore 
    我们先来学习一下JDK1.5 API中关于这个类的详细介绍： 
“一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。” 

 

 

 

将信号量初始化为 1，使得它在使用时最多只有一个可用的许可，从而可用作一个相互排斥的锁。这通常也称为二进制信号量，因为它只能有两种状态：一个可用的许可，或零个可用的许可。按此方式使用时，二进制信号量具有某种属性（与很多 Lock 实现不同），即可以由线程释放“锁”，而不是由所有者（因为信号量没有所有权的概念）。在某些专门的上下文（如死锁恢复）中这会很有用。

    我们一般用它来控制某个对象的线程访问对象 

    例如，对于某个容器，我们规定，最多只能容纳n个线程同时操作 
使用信号量来模拟实现 

具体代码如下（参考 [JCIP]） 

 

import java.util.Collections;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class TestSemaphore {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        TestSemaphore t = new TestSemaphore();
        final BoundedHashSet<String> set = t.getSet();

        for (int i = 0; i < 3; i++) {//三个线程同时操作add
            exec.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        set.add(Thread.currentThread().getName());
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }

        for (int j = 0; j < 3; j++) {//三个线程同时操作remove
            exec.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    set.remove(Thread.currentThread().getName());
                }
            });
        }
        exec.shutdown();
    }

    public BoundedHashSet<String> getSet() {
        return new BoundedHashSet<String>(2);//定义一个边界约束为2的线程
    }

    class BoundedHashSet<T> {
        private final Set<T> set;
        private final Semaphore semaphore;

        public BoundedHashSet(int bound) {
            this.set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<T>());
            this.semaphore = new Semaphore(bound, true);
        }

        public void add(T o) throws InterruptedException {
            semaphore.acquire();//信号量控制可访问的线程数目
            set.add(o);
            System.out.printf("add:%s%n",o);
        }

        public void remove(T o) {
            if (set.remove(o))
                semaphore.release();//释放掉信号量
            System.out.printf("remove:%s%n",o);
        }
    }
}

    总结：Semaphore通常用于对象池的控制 （使用其对HTTP线程池的线程数进行控制）