Java多线程-CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore
上次简单了解了多线程中锁的类型,今天要简单了解下多线程并发控制的一些工具类了。
1. 概念说明:
CountDownLatch:相当于一个待执行线程计数器,当计数减为零时表示所有待执行线程都已执行完毕,等待被计数线程结果的(即使用await()的)线程可以继续执行(await()后面的代码)了。
CyclicBarrier:可循环屏障,相当于一个准备执行线程计数器,当计数减为零时表示所有待执行线程(这些线程需要同时开始工作)都已做好准备工作,可以开始工作了。
Semaphore:允许并发线程数,semaphore.acquire()和semaphore.release()方法总是成对出现,而这对方法之间的代码最多允许多少个线程访问是由Semaphore semaphore=new Semaphore(n)的n决定的。
2. 构造实际场景,使用示例
设想一个赛跑场景,一共有10个运动员参赛,所有运动员必须同时起跑(CyclicBarrier控制),而计分结束必须在所有运动员都跑完全程之后(CountDownLatch控制),但是学校操场只有4条跑道(Semaphore),那么就要让运动员分三批进行比赛,每次最多4人入场:
import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
import org.apache.commons.lang3.concurrent.BasicThreadFactory;
import org.junit.Test;
import java.util.concurrent.*;
public class MultiThreadsTest {
private volatile ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
// 声明一个线程池,用于线程管理
ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(4, 4,
20, TimeUnit.MICROSECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(),
new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("Runner-%d").build(),
new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
@Test
public void testMultiControl() {
// 跑道数
int runways = 4;
// 参赛总人数
int runners = 10;
// 参赛人数多于跑道数,需分批比赛
int batch = 1;
// 当运动员总数多于跑道数,最多runways人入场
while (runners >= runways) {
runningGame(batch++, runways);
runners = runners - runways;
}
// 最后一批,还剩几个人,就几个人入场
runningGame(batch, runners);
System.out.println("\n所有选手都已跑完,现在宣布比赛结果:\n" + JSONObject.toJSONString(map));
}
private void runningGame(int batch, int runners) {
System.out.println("第" + batch + "批,共" + runners + "人,运动员正在进场...");
// 每批允许runways个运动员入场
Semaphore semaphore = new Semaphore(runners);
// 每批runways个运动员必须都准备好,同时起跑
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(runners);
// 每批runways个运动员都跑完全程,裁判这一批计分结束
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(runners);
for (int i = runners; i > 0; i--) {
// 每个运动员都是一个独立奔跑的线程
executor.execute(() -> {
try {
// 每个运动员进场都会占用一个跑道
semaphore.acquire();
// 每个运动员就位都会通知barrier,等所有跑道上的运动员都就位,大家就一起跑!
barrier.await();
running(Thread.currentThread().getName());
// 每个运动员跑完都要让出自己的跑道(为下一批运动员让路)
semaphore.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 每个运动员跑完都要通知裁判为自己计分
latch.countDown();
}
});
}
try {
// 跑道上所有运动员都跑完,则裁判计分结束
latch.await();
System.out.println("第" + batch + "批,共" + runners + "人,计分结束");
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(e.getStackTrace());
}
}
private void running(String name) {
long start = System.currentTimeMillis();
System.out.println(name + " running started ...");
System.out.println(name + ": I'm running.\taudience: Yes, I see.\t" + name + ":I'm done running.\taudience: Well done!");
try {
// 跑太快,歇会儿
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(name + " running completed");
// 裁判将所有运动员的分数都记录在map中
map.put(name, (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
}
}
运行结果

3. 代码运行结果分析:
乍看上面代码和运行结果好像都没什么问题,每批允许4人进场,总是同时开始跑,也都等到每批选手都跑完后该批计分结束,countDownLatch和CyclicBarrier确实都起到了各自的作用,但是Semaphore呢?好像也确实是限制了只允许4个线程同时访问这段代码,然而在你一次只有4个选手的情况下,它当然是最多4个线程访问了,其实Semaphore的工作已经由方法入参给限定了啊,Semaphore的作用何在呢?那么假如学校原本有4个跑道,但是比赛开始之后却发现有一个入场通道坏了,变成了每次只能有3个人入场,但是场内的裁判并不知道,还在等待着按每4人一批进行比赛,那将会是什么结果呢?
我们修改代码看下:其他部分不变,只把允许入场的运动员数减1,然后再运行Test发现程序一直处于“第一批运动员进场”过程中,说明Semaphore这个变量已经起到了它的作用,就是每次只允许3个运动员进场,而且放入3个运动员后就会进行等待,等待这3个运动员比赛结束再放下一批进场,而场内的裁判并不知道可入场人数已经变化,还在等待着第4名选手入场才吹响开跑号声,因此入场管理员Semaphore和起跑裁判官CyclicBarrier就会陷入无法终止的相互等待,程序一直无法打破这种等待循环,因而进入停滞状态,这就是一种简单的死锁场景了。

4. 总结
这里只是简单说明这三个工具有用法,场景并不十分合理,其实这三者通常独立使用,一般不会碰到三者同时上场的机会。
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