Java并发编程核心方法与框架-CountDownLatch的使用

Java多线程编程中经常会碰到这样一种场景：某个线程需要等待一个或多个线程操作结束（或达到某种状态）才开始执行。比如裁判员需要等待运动员准备好后才发送开始指令，运动员要等裁判员发送开始指令后才开始比赛。

public class Player implements Runnable {

	private int id;
	private CountDownLatch begin;
	private CountDownLatch end;

	public Player(int i, CountDownLatch begin, CountDownLatch end) {
		super();
		this.id = i;
		this.begin = begin;
		this.end = end;
	}

	@Override
	public void run() {
		try {
			begin.await();// 等待begin的状态为0时开始
			System.out.println("Play" + id + "开始时间：" + System.currentTimeMillis());
			Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));// 随机分配时间，即运动员完成时间
			System.out.println("Play" + id + " arrived.");
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			end.countDown();// 使end状态减1，最终减至0
		}
	}
}

public class CountDownLatchDemo {
	private static final int PLAYER_AMOUNT = 5;

	public static void main(String[] args) {
		//对于每位运动员，CountDownLatch减1后即结束比赛
		CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);// 相当于裁判员
		//对于整个比赛，所有运动员结束后才算结束
		CountDownLatch end = new CountDownLatch(PLAYER_AMOUNT);
		Player[] plays = new Player[PLAYER_AMOUNT];

		for (int i = 0; i < PLAYER_AMOUNT; i++) {
			plays[i] = new Player(i + 1, begin, end);
		}

		// 设置特定的线程池，大小为5
		ExecutorService exe = Executors.newFixedThreadPool(PLAYER_AMOUNT);
		for (Player p : plays) {
			exe.execute(p);// 分配线程
		}
		System.out.println("Race begins!");
		begin.countDown();
		try {
			end.await();// 等待end状态变为0，即为比赛结束
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			System.out.println("Race ends!");
		}
		exe.shutdown();
	}
}

程序运行结果如下：

Race begins!
Play1开始时间：1469438682994
Play4开始时间：1469438682994
Play2开始时间：1469438682994
Play3开始时间：1469438682994
Play5开始时间：1469438682994
Play3 arrived.
Play4 arrived.
Play1 arrived.
Play5 arrived.
Play2 arrived.
Race ends!

五个线程在main线程执行begin.countDown()后同时开始执行，每个线程执行完毕后都会执行end.countDown()，main线程等待end状态为0时停止执行。

再看一个例子：

public class CountDownLatchTest {
	// 模拟了100米赛跑，10名选手已经准备就绪，只等裁判一声令下。当所有人都到达终点时，比赛结束。
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 开始的倒数锁
        final CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
        // 结束的倒数锁
        final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);
        // 十名选手
        final ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int index = 0; index < 10; index++) {
            final int NO = index + 1;
            Runnable run = new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        // 如果当前计数为零，则此方法立即返回。
                        // 等待
                        begin.await();
                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                        System.out.println("No." + NO + " arrived");
                    } catch (InterruptedException e) {
                    } finally {
                        // 每个选手到达终点时，end就减一
                        end.countDown();
                    }
                }
            };
            exec.submit(run);
        }
        System.out.println("Game Start");
        // begin减一，开始游戏
        begin.countDown();
        // 等待end变为0，即所有选手到达终点
        end.await();
        System.out.println("Game Over");
        exec.shutdown();
    }
}

程序运行结果如下：

Game Start
No.10 arrived
No.5 arrived
No.8 arrived
No.9 arrived
No.1 arrived
No.2 arrived
No.3 arrived
No.6 arrived
No.4 arrived
No.7 arrived
Game Over

程序执行原理和前一个例子相同。

CountDownLatch工作原理相对简单，可以简单看成一个倒计时器，在构造方法中指定初始值，每次调用countDown()方法时讲计数器减1，而await()会等待计数器变为0。CountDownLatch关键接口如下

• countDown() 如果当前计数器的值大于1，则将其减1；若当前值为1，则将其置为0并唤醒所有通过await等待的线程；若当前值为0，则什么也不做直接返回。
• await() 等待计数器的值为0，若计数器的值为0则该方法返回；若等待期间该线程被中断，则抛出InterruptedException并清除该线程的中断状态。
• await(long timeout, TimeUnit unit) 在指定的时间内等待计数器的值为0，若在指定时间内计数器的值变为0，则该方法返回true；若指定时间内计数器的值仍未变为0，则返回false；若指定时间内计数器的值变为0之前当前线程被中断，则抛出InterruptedException并清除该线程的中断状态。
• getCount() 读取当前计数器的值，一般用于调试或者测试。

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一个完整的比赛流程:

public class MyThread extends Thread {
	private static final int THREAD_NUM = 10;

	private CountDownLatch comingTag;
	private CountDownLatch waitTag;
	private CountDownLatch waitRunTag;
	private CountDownLatch beginTag;
	private CountDownLatch endTag;
	public MyThread(CountDownLatch comingTag, CountDownLatch waitTag, CountDownLatch waitRunTag, CountDownLatch beginTag, CountDownLatch endTag) {
		super();
		this.comingTag = comingTag;
		this.waitTag = waitTag;
		this.waitRunTag = waitRunTag;
		this.beginTag = beginTag;
		this.endTag = endTag;
	}

	@Override
	public void run() {
		try {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运动员正在赶往起点。。。");
			Thread.sleep((int)(Math.random() * 10000));
			comingTag.countDown();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待裁判说准备。。。");
			waitTag.await();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "预备。。。");
			Thread.sleep((int)(Math.random() * 10000));
			waitRunTag.countDown();
			beginTag.await();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "起跑。。。" + System.currentTimeMillis());
			Thread.sleep((int)(Math.random() * 10000));
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到达终点。。。");
			endTag.countDown();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		try {
			CountDownLatch comingTag = new CountDownLatch(THREAD_NUM);
			CountDownLatch waitTag = new CountDownLatch(1);
			CountDownLatch waitRunTag = new CountDownLatch(THREAD_NUM);
			CountDownLatch beginTag = new CountDownLatch(1);
			CountDownLatch endTag = new CountDownLatch(THREAD_NUM);

			MyThread[] threads = new MyThread[THREAD_NUM];
			for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
				threads[i] = new MyThread(comingTag, waitTag, waitRunTag, beginTag, endTag);
				threads[i].start();
			}
			System.out.println("裁判员正在等待选手到场。。。");
			comingTag.await();
			System.out.println("裁判员看到全部运动员已到场。。。准备5秒。。。");
			Thread.sleep(5000);
			waitTag.countDown();
			System.out.println("各就各位，预备。。。");
			waitRunTag.await();
			System.out.println("发令枪响起。。。");
			beginTag.countDown();
			endTag.await();
			System.out.println("所有运动员到达终点，比赛结束。。。");
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

程序运行结果如下：

Thread-0运动员正在赶往起点。。。
Thread-4运动员正在赶往起点。。。
Thread-3运动员正在赶往起点。。。
Thread-2运动员正在赶往起点。。。
Thread-1运动员正在赶往起点。。。
Thread-6运动员正在赶往起点。。。
Thread-5运动员正在赶往起点。。。
Thread-7运动员正在赶往起点。。。
Thread-8运动员正在赶往起点。。。
裁判员正在等待选手到场。。。
Thread-9运动员正在赶往起点。。。
Thread-0等待裁判说准备。。。
Thread-5等待裁判说准备。。。
Thread-3等待裁判说准备。。。
Thread-7等待裁判说准备。。。
Thread-1等待裁判说准备。。。
Thread-6等待裁判说准备。。。
Thread-4等待裁判说准备。。。
Thread-9等待裁判说准备。。。
Thread-8等待裁判说准备。。。
Thread-2等待裁判说准备。。。
裁判员看到全部运动员已到场。。。准备5秒。。。
各就各位，预备。。。
Thread-0预备。。。
Thread-5预备。。。
Thread-3预备。。。
Thread-7预备。。。
Thread-4预备。。。
Thread-8预备。。。
Thread-6预备。。。
Thread-1预备。。。
Thread-2预备。。。
Thread-9预备。。。
发令枪响起。。。
Thread-4起跑。。。1469453409388
Thread-5起跑。。。1469453409388
Thread-6起跑。。。1469453409388
Thread-7起跑。。。1469453409388
Thread-2起跑。。。1469453409388
Thread-9起跑。。。1469453409388
Thread-0起跑。。。1469453409388
Thread-1起跑。。。1469453409388
Thread-8起跑。。。1469453409388
Thread-3起跑。。。1469453409388
Thread-6到达终点。。。
Thread-5到达终点。。。
Thread-2到达终点。。。
Thread-1到达终点。。。
Thread-3到达终点。。。
Thread-0到达终点。。。
Thread-9到达终点。。。
Thread-7到达终点。。。
Thread-8到达终点。。。
Thread-4到达终点。。。
所有运动员到达终点，比赛结束。。。