【Java并发编程】之 CountDownLatch

CountDownLatch 的概念

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CountDownLatch 是一个同步工具类（位于 java.util.concurrent 包下），用来协调多个线程之间的同步，起到线程之间的通信作用。

CountDownLatch 能够使一个线程在等待其他线程完成各自工作之后，再继续往下执行。其使用一个计数器进行实现，计数器初始值为线程的数量。当每一个线程完成自己任务后，计数器的值就会减一。当计数器的值为0时，表示所有的线程都已经完成一些任务，然后在 CountDownLatch 上等待的线程就可以继续执行接下来的任务。

CountDownLatch 的用法

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1、某一线程在开始运行前等待 n 个线程执行完毕

• 将 CountDownLatch 的计数器初始化为 new CountDownLatch(n)，每当一个任务线程执行完毕，就将计数器减 1（countdownLatch.countDown()）；
• 当计数器的值变为 0 时，在 CountDownLatch 上 await() 的线程就会被唤醒继续往下执行。

代码示例如下：

主线程类：

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池和CountDownLatch
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

        // 创建三个工作任务线程
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            threadPool.execute(new Worker(i + 1, latch));
        }

        // 阻塞并等待子线程结束
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
		
		// 所有子线程都结束后继续执行主线程的任务
        System.out.println("所有线程执行完毕！");
        threadPool.shutdown();
    }

}

工作线程类：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Worker implements Runnable {

    private final Integer id;
    private final CountDownLatch latch;

    public Worker(Integer id, CountDownLatch latch) {
        this.id = id;
        this.latch = latch;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("Worker " + id + " 开始工作...");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
            System.out.println("Worker " + id + " 工作结束...");
            latch.countDown(); // 休眠完后计数减一
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这里我们使用 sleep() 代表线程执行的任务，运行结果如下：

Worker 2 开始工作...
Worker 3 开始工作...
Worker 1 开始工作...
Worker 2 工作结束...
Worker 1 工作结束...
Worker 3 工作结束...
所有线程执行完毕！

2、实现多个线程开始执行任务的最大并行性

注意： 这里说的是并行性，不是并发，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。

具体做法是初始化一个共享的 CountDownLatch(1)，将其计算器初始化为 1，多个线程在开始执行任务前首先 countdownlatch.await()，当主线程调用 countDown() 时，计数器变为 0，多个线程同时被唤醒。

代码示例如下：

主线程类：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class CountDownLatchDemo {

    public static void main(String[] args) {

        // 创建线程池和CountDownLatch
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        CountDownLatch startLatch = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch finishLatch = new CountDownLatch(3);

        // 创建三个工作任务线程
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            threadPool.execute(new Runner(i + 1, startLatch, finishLatch));
        }

        try {
            // 等待所有任务都准备就绪后同时开启任务
            TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
            System.out.println("裁判：所有选手开始！");
            startLatch.countDown();
            // 等待所有任务执行完毕
            finishLatch.await();
            System.out.println("所有选手都已到达终点！");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        threadPool.shutdown();
    }

}

任务线程类：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

class Runner implements Runnable {

    private final Integer id;
    private final CountDownLatch startLatch;
    private final CountDownLatch finishLatch;

    public Runner(Integer id, CountDownLatch startLatch, CountDownLatch finishLatch) {
        this.id = id;
        this.startLatch = startLatch;
        this.finishLatch = finishLatch;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("选手 " + id + " 准备就绪...");
            startLatch.await(); // 等待主线程的countDown()
            System.out.println("选手 " + id + " 开始跑步...");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
            System.out.println("选手 " + id + " 到达终点...");
            finishLatch.countDown(); // 任务完成，计数减一
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

执行结果如下：

选手 2 准备就绪...
选手 3 准备就绪...
选手 1 准备就绪...
裁判：所有选手开始！
选手 2 开始跑步...
选手 3 开始跑步...
选手 1 开始跑步...
选手 1 到达终点...
选手 3 到达终点...
选手 2 到达终点...
所有选手都已到达终点！

注意： 线程有可能在执行过程中出错，所以，为了防止出现线程被一直阻塞的情况，可以使用如下方法：

• 在 try.catch 模块中处理：当任务出错时也要进行 countDown()；
• 在 await(long timeout, TimeUnit unit) 中填入超时时间，防止过长时间的阻塞。

CountDownLatch 的不足

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CountDownLatch 是一次性的，计算器的值只能在构造方法中初始化一次，之后没有任何机制再次对其设置值，当 CountDownLatch 使用完毕后，它不能再次被使用。