【Java并发】Java并发编程之CountDownLatch详解：原理、使用场景与代码实战

摘要

在Java多线程编程中，CountDownLatch 是一个强大的同步工具类，用于协调多个线程的执行顺序，线程间的同步是一个常见的需求。CountDownLatch 作为 java.util.concurrent 包中的一个同步辅助类，提供了一种简单而有效的方式来实现线程间的等待和同步。本文将详细介绍 CountDownLatch 的使用方法、应用场景以及注意事项，并通过一个实战示例帮助读者更好地理解和应用这一工具。

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一、CountDownLatch是什么？

定义
CountDownLatch 是 java.util.concurrent 包下的一个同步辅助类，允许一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。其核心思想是通过“倒计时门闩”机制实现线程间的协作。

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CountDownLatch 提供了以下两个核心方法：

• await()：使当前线程阻塞等待，直到计数器减到零。如果计数器已经为零，则立即返回。

• countDown()：将计数器减一。当计数器减到零时，所有调用 await() 的线程会被唤醒。

此外，还有一些变种方法：

• await(long timeout, TimeUnit unit)：带有超时的等待，如果超时前计数器未减到零，线程会继续执行。

• getCount()：获取当前计数器的值。

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二、核心原理与特性

1. 计数器不可重置
   CountDownLatch 的计数器初始化后不可重复使用，若需重复可用 CyclicBarrier。
2. 非独占锁
   所有线程共享计数器状态，无锁竞争问题。
3. 典型应用场景
   • 主线程等待多个子线程初始化完成
   • 并行任务拆分与结果合并
   • 模拟高并发测试

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三、代码示例与场景解析

场景1：主线程等待所有子线程完成任务

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class MainThreadWaitDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int THREAD_COUNT = 5;
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);

        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始执行任务");
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 任务完成");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    latch.countDown(); // 确保计数器减少
                }
            }, "Worker-" + i).start();
        }

        System.out.println("主线程等待所有子线程完成任务...");
        latch.await();
        System.out.println("所有子线程任务已完成，主线程继续执行！");
    }
}

输出示例

主线程等待所有子线程完成任务...
Worker-0 开始执行任务
Worker-1 开始执行任务
Worker-2 开始执行任务
Worker-3 开始执行任务
Worker-4 开始执行任务
Worker-1 任务完成
Worker-0 任务完成
Worker-3 任务完成
Worker-2 任务完成
Worker-4 任务完成
所有子线程任务已完成，主线程继续执行！

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场景2：多线程并行处理任务后合并结果

import java.util.concurrent.*;

public class ParallelTaskDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int TASK_NUM = 3;
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(TASK_NUM);
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(TASK_NUM);
        ConcurrentHashMap<String, Integer> resultMap = new ConcurrentHashMap<>();

        // 提交并行任务
        for (int i = 0; i < TASK_NUM; i++) {
            final int taskId = i;
            executor.submit(() -> {
                try {
                    int result = processTask(taskId); // 模拟耗时计算
                    resultMap.put("Task-" + taskId, result);
                } finally {
                    latch.countDown();
                }
            });
        }

        // 等待所有任务完成
        latch.await();
        executor.shutdown();

        // 合并结果
        System.out.println("所有任务结果：" + resultMap);
    }

    private static int processTask(int taskId) throws InterruptedException {
        Thread.sleep(500); // 模拟计算耗时
        return taskId * 100;
    }
}

输出示例

所有任务结果：{Task-0=0, Task-1=100, Task-2=200}

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四、CountDownLatch vs CyclicBarrier

特性	CountDownLatch	CyclicBarrier
重用性	不可重用	可重用
计数器方向	递减至0	递增至指定值
主要用途	等待事件完成	线程互相等待
触发动作	无	支持到达屏障后执行回调动作

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五、注意事项

1. 避免死锁：确保所有线程最终都会调用 countDown()。
2. 超时控制：使用 await(long timeout, TimeUnit unit) 防止无限阻塞。
3. 资源释放：在 finally 块中调用 countDown() 保证可靠性。

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六、总结

CountDownLatch 是解决多线程协同问题的利器，尤其适用于“主从协作”或“分治合并”场景。合理使用该工具，可以显著提升程序的健壮性与可维护性。在实际项目中，需结合线程池、Future等组件灵活设计，方能发挥最大威力。