Java多线程并发：CyclicBarrier、CountDownLatch、Semaphore 的用法

1、CountDownLatch（线程计数器 ）

CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

  final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

  new Thread() {
      public void run() {
          System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
          Thread.sleep(3000);
          System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
          latch.countDown();
      }
  }.start();

  new Thread() {
      public void run() {
          System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
          Thread.sleep(3000);
          System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
          latch.countDown();
      }
  }.start();
  
  System.out.println("等待 2 个子线程执行完毕...");
  latch.await();
  System.out.println("2 个子线程已经执行完毕");
  System.out.println("继续执行主线程");

2、CyclicBarrier（回环栅栏-等待至 barrier 状态再全部同时执行）

字面意思回环栅栏，通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用。我们暂且把这个状态就叫做barrier，当调用await()方法之后，线程就处于barrier了。CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法，它有2个重载版本：

1. public int await()：用来挂起当前线程，直至所有线程都到达 barrier 状态再同时执行后续任务；
2. public int await(long timeout, TimeUnit unit)：让这些线程等待至一定的时间，如果还有线程没有到达 barrier 状态就直接让到达 barrier 的线程执行后续任务。

具体使用如下，另外 CyclicBarrier 是可以重用的。

  public static void main(String[] args) {
      int N = 4;

      CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N);

      for (int i = 0; i < N; i++)
          new Writer(barrier).start();
  }

  static class Writer extends Thread {
      private CyclicBarrier cyclicBarrier;

      public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
          this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
      }

      @Override
      public void run() {
          try {
              Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟线程需要预定写入数据操作
              System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
              cyclicBarrier.await();
          } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          } catch (BrokenBarrierException e) {
              e.printStackTrace();
          }
          System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务，比如数据操作");
      }
  }

3、Semaphore（信号量-控制同时访问的线程个数）

Semaphore 翻译成字面意思为 信号量，Semaphore 可以控制同时访问的线程个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。
Semaphore 类中比较重要的几个方法：

1. public void acquire(): 用来获取一个许可，若无许可能够获得，则会一直等待，直到获得许可。
2. public void acquire(int permits):获取 permits 个许可。
3. public void release() { } :释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。
4. public void release(int permits) { }:释放 permits 个许可。

上面4个方法都会被阻塞，如果想立即得到执行结果，可以使用下面几个方法：

1. public boolean tryAcquire():尝试获取一个许可，若获取成功，则立即返回 true，若获取失败，则立即返回 false。
2. public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit):尝试获取一个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回 true，否则则立即返回 false。
3. public boolean tryAcquire(int permits):尝试获取 permits 个许可，若获取成功，则立即返回 true，若获取失败，则立即返回 false。
4. public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit): 尝试获取 permits 个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回 true，否则则立即返回 false。
5. 还可以通过 availablePermits()方法得到可用的许可数目。

例子：若一个工厂有 5 台机器，但是有 8 个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用。那么我们就可以通过 Semaphore 来实现：

  public static void main(String[] args) {
      int N = 8; //工人数

      Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目

      for (int i = 0; i < N; i++)
          new Worker(i, semaphore).start();
  }

  static class Worker extends Thread {
      private int num;
      private Semaphore semaphore;

      public Worker(int num, Semaphore semaphore) {
          this.num = num;
          this.semaphore = semaphore;
      }

      @Override
      public void run() {
          try {
              semaphore.acquire();
              System.out.println("工人" + this.num + "占用一个机器在生产...");
              Thread.sleep(2000);
              System.out.println("工人" + this.num + "释放出机器");
              semaphore.release();
          } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          }
      }

  }

小结

• CountDownLatch 和 CyclicBarrier 都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同；CountDownLatch 一般用于某个线程 A 等待若干个其他线程执行完任务之后，它才执行；而 CyclicBarrier 一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行；另外，CountDownLatch 是不能够重用的，而 CyclicBarrier 是可以重用的。
• Semaphore 其实和锁有点类似，它一般用于控制对某组资源的访问权限。