Java并发系列(25)大白话说java并发工具类-CountDownLatch,CyclicBarrier

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Java并发系列(25)大白话说java并发工具类-CountDownLatch,CyclicBarrier

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原文作者:github:CL0610/Java-concurrency 免责声明:

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1. 倒计时器CountDownLatch

在多线程协作完成业务功能时,有时候需要等待其他多个线程完成任务之后,主线程才能继续往下执行业务功能,在这种的业务场景下,通常可以使用Thread类的join方法,让主线程等待被join的线程执行完之后,主线程才能继续往下执行。当然,使用线程间消息通信机制也可以完成。其实,java并发工具类中为我们提供了类似“倒计时”这样的工具类,可以十分方便的完成所说的这种业务场景。

为了能够理解CountDownLatch,举一个很通俗的例子,运动员进行跑步比赛时,假设有6个运动员参与比赛,裁判员在终点会为这6个运动员分别计时,可以想象没当一个运动员到达终点的时候,对于裁判员来说就少了一个计时任务。直到所有运动员都到达终点了,裁判员的任务也才完成。这6个运动员可以类比成6个线程,当线程调用CountDownLatch.countDown方法时就会对计数器的值减一,直到计数器的值为0的时候,裁判员(调用await方法的线程)才能继续往下执行。

下面来看些CountDownLatch的一些重要方法。

先从CountDownLatch的构造方法看起:

public CountDownLatch(int count)

构造方法会传入一个整型数N,之后调用CountDownLatch的countDown方法会对N减一,知道N减到0的时候,当前调用await方法的线程继续执行。

CountDownLatch的方法不是很多,将它们一个个列举出来:

  1. await() throws InterruptedException:调用该方法的线程等到构造方法传入的N减到0的时候,才能继续往下执行;
  2. await(long timeout, TimeUnit unit):与上面的await方法功能一致,只不过这里有了时间限制,调用该方法的线程等到指定的timeout时间后,不管N是否减至为0,都会继续往下执行;
  3. countDown():使CountDownLatch初始值N减1;
  4. long getCount():获取当前CountDownLatch维护的值;

下面用一个具体的例子来说明CountDownLatch的具体用法:

public class CountDownLatchDemo {
private static CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
//用来表示裁判员需要维护的是6个运动员
private static CountDownLatch endSignal = new CountDownLatch(6);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(6);
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运动员等待裁判员响哨!!!");
                startSignal.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在全力冲刺");
                endSignal.countDown();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  到达终点");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
    System.out.println("裁判员发号施令啦!!!");
    startSignal.countDown();
    endSignal.await();
    System.out.println("所有运动员到达终点,比赛结束!");
    executorService.shutdown();
}
}
输出结果:

pool-1-thread-2 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-3 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-1 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-4 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-5 运动员等待裁判员响哨!!!
pool-1-thread-6 运动员等待裁判员响哨!!!
裁判员发号施令啦!!!
pool-1-thread-2正在全力冲刺
pool-1-thread-2  到达终点
pool-1-thread-3正在全力冲刺
pool-1-thread-3  到达终点
pool-1-thread-1正在全力冲刺
pool-1-thread-1  到达终点
pool-1-thread-4正在全力冲刺
pool-1-thread-4  到达终点
pool-1-thread-5正在全力冲刺
pool-1-thread-5  到达终点
pool-1-thread-6正在全力冲刺
pool-1-thread-6  到达终点
所有运动员到达终点,比赛结束!

该示例代码中设置了两个CountDownLatch,第一个endSignal用于控制让main线程(裁判员)必须等到其他线程(运动员)让CountDownLatch维护的数值N减到0为止。另一个startSignal用于让main线程对其他线程进行“发号施令”,startSignal引用的CountDownLatch初始值为1,而其他线程执行的run方法中都会先通过 ` startSignal.await()让这些线程都被阻塞,直到main线程通过调用startSignal.countDown();,将值N减1,CountDownLatch维护的数值N为0后,其他线程才能往下执行,并且,每个线程执行的run方法中都会通过endSignal.countDown();endSignal维护的数值进行减一,由于往线程池提交了6个任务,会被减6次,所以endSignal维护的值最终会变为0,因此main线程在latch.await();`阻塞结束,才能继续往下执行。

另外,需要注意的是,当调用CountDownLatch的countDown方法时,当前线程是不会被阻塞,会继续往下执行,比如在该例中会继续输出pool-1-thread-4 到达终点

2. 循环栅栏:CyclicBarrier

CyclicBarrier也是一种多线程并发控制的实用工具,和CountDownLatch一样具有等待计数的功能,但是相比于CountDownLatch功能更加强大。

为了理解CyclicBarrier,这里举一个通俗的例子。开运动会时,会有跑步这一项运动,我们来模拟下运动员入场时的情况,假设有6条跑道,在比赛开始时,就需要6个运动员在比赛开始的时候都站在起点了,裁判员吹哨后才能开始跑步。跑道起点就相当于“barrier”,是临界点,而这6个运动员就类比成线程的话,就是这6个线程都必须到达指定点了,意味着凑齐了一波,然后才能继续执行,否则每个线程都得阻塞等待,直至凑齐一波即可。cyclic是循环的意思,也就是说CyclicBarrier当多个线程凑齐了一波之后,仍然有效,可以继续凑齐下一波。CyclicBarrier的执行示意图如下:

CyclicBarrier执行示意图.jpg

当多个线程都达到了指定点后,才能继续往下继续执行。这就有点像报数的感觉,假设6个线程就相当于6个运动员,到赛道起点时会报数进行统计,如果刚好是6的话,这一波就凑齐了,才能往下执行。CyclicBarrier在使用一次后,下面依然有效,可以继续当做计数器使用,这是与CountDownLatch的区别之一。这里的6个线程,也就是计数器的初始值6,是通过CyclicBarrier的构造方法传入的。

下面来看下CyclicBarrier的主要方法:

//等到所有的线程都到达指定的临界点
await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException 

//与上面的await方法功能基本一致,只不过这里有超时限制,阻塞等待直至到达超时时间为止
await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, 
BrokenBarrierException, TimeoutException 

//获取当前有多少个线程阻塞等待在临界点上
int getNumberWaiting()

//用于查询阻塞等待的线程是否被中断
boolean isBroken()

	
//将屏障重置为初始状态。如果当前有线程正在临界点等待的话,将抛出BrokenBarrierException。
void reset()

另外需要注意的是,CyclicBarrier提供了这样的构造方法:

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)

可以用来,当指定的线程都到达了指定的临界点的时,接下来执行的操作可以由barrierAction传入即可。

一个例子

下面用一个简单的例子,来看下CyclicBarrier的用法,我们来模拟下上面的运动员的例子。

public class CyclicBarrierDemo {
    //指定必须有6个运动员到达才行
    private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(6, () -> {
        System.out.println("所有运动员入场,裁判员一声令下!!!!!");
    });
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("运动员准备进场,全场欢呼............");

        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(6);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            service.execute(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 运动员,进场");
                    barrier.await();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  运动员出发");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }

}

输出结果:
运动员准备进场,全场欢呼............
pool-1-thread-2 运动员,进场
pool-1-thread-1 运动员,进场
pool-1-thread-3 运动员,进场
pool-1-thread-4 运动员,进场
pool-1-thread-5 运动员,进场
pool-1-thread-6 运动员,进场
所有运动员入场,裁判员一声令下!!!!!
pool-1-thread-6  运动员出发
pool-1-thread-1  运动员出发
pool-1-thread-5  运动员出发
pool-1-thread-4  运动员出发
pool-1-thread-3  运动员出发
pool-1-thread-2  运动员出发

从输出结果可以看出,当6个运动员(线程)都到达了指定的临界点(barrier)时候,才能继续往下执行,否则,则会阻塞等待在调用await()

3. CountDownLatch与CyclicBarrier的比较

CountDownLatch与CyclicBarrier都是用于控制并发的工具类,都可以理解成维护的就是一个计数器,但是这两者还是各有不同侧重点的:

  1. 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;CountDownLatch强调一个线程等多个线程完成某件事情。CyclicBarrier是多个线程互等,等大家都完成,再携手共进。
  2. 调用CountDownLatch的countDown方法后,当前线程并不会阻塞,会继续往下执行;而调用CyclicBarrier的await方法,会阻塞当前线程,直到CyclicBarrier指定的线程全部都到达了指定点的时候,才能继续往下执行;
  3. CountDownLatch方法比较少,操作比较简单,而CyclicBarrier提供的方法更多,比如能够通过getNumberWaiting(),isBroken()这些方法获取当前多个线程的状态,并且CyclicBarrier的构造方法可以传入barrierAction,指定当所有线程都到达时执行的业务功能;
  4. CountDownLatch是不能复用的,而CyclicLatch是可以复用的。

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