Java中使用CountDownLatch进行多线程同步

CountDownLatch介绍

在前面的Java学习笔记中，总结了Java中进行多线程同步的几个方法：

1、synchronized关键字进行同步。

2、Lock锁接口及其实现类ReentrantLock、ReadWriteLock锁实现同步。

3、信号量Semaphore实现同步。

其中，synchronized关键字和Lock锁解决的是多个线程对同一资源的并发访问问题。信号量Semaphore解决的是多副本资源的共享访问问题。

今天，来学习一下Java中的另外一个多线程同步辅助类：CountDownLatch。官方文档对CountDownLatch的解释是：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。也就是说，CountDownLatch控制某个或者多个线程，让它们等待多个线程完成某项任务后，再启动。CountDownLatch主要是用来同步多个任务的执行，区别于其他的synchronized关键字，锁，信号量是用来同步共享资源的。

CountDownLatch实现原理简介：

CountDownLatch内部维护一个计数器，计数器的值为待完成的任务数Ｎ，需要等待这Ｎ个任务完成的线程调用CountDownLatch的await()方法使自己进入休眠等待状态。

当某一个任务线程完成某一个任务后调用CountDownLatch的countDown()方法来表示自己的任务已完成，此时CountDownLatch的计数器值减１，当所有的任务完成式，计数器的值为０。当计数器值为0时，CountDownLatch将唤醒所有因await()方法进入休眠的线程。

CountDownLatch的使用：

CountDownLatch的使用主要有3点：

1、CountDownLatch的声明及初始化，在初始化时需要指定等待完成的任务数。

2、某一个任务完成时调用CountDownLatch的countDown()方法，向CountDownLatch报告自己的任务已经完成，

3、需要等待任务完成的线程调用CountDownLatch的await()方法，调用后该线程将进入休眠，并在所有任务数完成后CountDownLatch的计数器值为0时，因await()方法进行休眠的线程将被唤醒。

在此本人在Java 7并发编程实战手册该书中的CountDownLatch使用示例的基础上做了部分改进，来演示CountDownLatch的使用详情：

模拟10个参会者和一个主持人参加的一个会以，每个参会者及主持人需要等待其他的参会者均到场签到之后，才能开始会以并发言。为此，先创建一个会以管理的类VideoConference，其提供一个arrive()方法供参会者调用来进行签到。会议管理的拥有者是主持人，其等待每个参会者的签到：

public class VideoConference implements  Runnable{
    private final CountDownLatch countDownLatch;
    private int number;
    public VideoConference(int number) {
        this.number = number;
        this.countDownLatch = new CountDownLatch(number);//使用Number初始化其内部的计数器，当初始化完成后，不能再次初始化
    }
    public void arrive(String name){
        //每个需要同步的任务，在任务完成时，需要调用该方法
        countDownLatch.countDown();//countDownLatch内部的计数器减1
        System.out.print("arrive:"+name+"\n");
        try{
            countDownLatch.await();//await方法是线程进入休眠，当countDownLatch计数器为0时，将被唤醒
            //线程被唤醒，在这里可以执行一系列任务
            System.out.print("name:"+name + " say:let's start..." +"\n");
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public void run(){
        System.out.print("has arrive:"+(number-countDownLatch.getCount())+"\n");
        try{
            countDownLatch.await();//await方法是线程进入休眠，当countDownLatch计数器为0时，将被唤醒
            //线程被唤醒，在这里可以执行一系列任务
            System.out.print("all arrived:"+(number-countDownLatch.getCount())+"\n");
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

创建一个参会者类Participant：

public class Participant implements  Runnable{
    private VideoConference videoConference;
    private String name;

    public Participant(String name, VideoConference videoConference) {
        this.name = name;
        this.videoConference = videoConference;
    }
    public void run(){
        try {
            //do something
            Thread.sleep(50);
            //
            videoConference.arrive(name);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args){
        VideoConference videoConference = new VideoConference(10);
        Thread videoThread = new Thread(videoConference);
        videoThread.start();
        for(int i=0; i<10; i++){
            Thread thread = new Thread(new Participant("participant:"+i,videoConference));
            thread.start();
        }
    }
}

Participant类中的main函数首先创建了一个需要10个参会者参加的一个会议，之后，创建了10个参会者并逐个签到，在10个参会者都签到之后，每个参会者及主持人将被"唤醒"并发言。

总结：

CountDownLatch类解决的是多线程间的同步等待、任务协调问题，应用在如在启动某个程序的主功能前，需要前置完成配置环境检查、网络检查等多个子任务等类似的场景。在Java中，除了使用CountDownLatch来实现多线程间的同步等待以外，还可以使用栅栏技术CyclicBarrier来实现多线程间的同步等待、任务协调。