原文作者：洲洋1984

原文地址：Java 并發包中的高級同步工具

Java 中的并發包指的是 java.util.concurrent（簡稱 JUC）包和其子包下的類和接口，它為 Java 的并發提供了各種功能支持，比如：

• 提供了線程池的創建類 ThreadPoolExecutor、Executors 等；
• 提供了各種鎖，如 Lock、ReentrantLock 等；
• 提供了各種線程安全的數據結構，如 ConcurrentHashMap、LinkedBlockingQueue、DelayQueue 等；
• 提供了更加高級的線程同步結構，如 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 、Phaser等。

在前面的章節中我們已經詳細地介紹了線程池的使用、線程安全的數據結構等，本文我們就重點學習一下 Java 并發包中更高級的線程同步類：CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 和 Phaser 等。

一、CountDownLatch 介紹和使用

CountDownLatch（閉鎖）可以看作一個只能做減法的計數器，可以讓一個或多個線程等待排隊執行。CountDownLatch 有兩個重要的方法：

• countDown()：使計數器減 1；
• await()：當計數器不為 0 時，則調用該方法的線程阻塞，當計數器為 0 時，可以喚醒等待的一個或者全部線程。

CountDownLatch 使用場景：以生活中的情景為例，比如去醫院體檢，通常人們會提前去醫院排隊，但只有等到醫生開始上班，才能正式開始體檢，醫生也要給所有人體檢完才能下班，這種情況就要使用 CountDownLatch，流程為：患者排隊 → 醫生上班 → 體檢完成 → 醫生下班。

CountDownLatch 示例代碼如下：

// 醫院閉鎖 CountDownLatch hospitalLatch = new CountDownLatch(1); // 患者閉鎖 CountDownLatch patientLatch = new CountDownLatch(5); System.out.println("患者排隊"); ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); for (int i = 0; i < 5; i++) {final int j = i;executorService.execute(() -> {try {hospitalLatch.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("體檢：" + j);patientLatch.countDown();}); } System.out.println("醫生上班"); hospitalLatch.countDown(); patientLatch.await(); System.out.println("醫生下班"); executorService.shutdown();

以上程序執行結果如下：

患者排隊

醫生上班

體檢：4

體檢：0

體檢：1

體檢：3

體檢：2

醫生下班

二、CyclicBarrier 介紹和使用

CyclicBarrier（循環屏障），通過它可以實現讓一組線程等待滿足某個條件后同時執行。CyclicBarrier 經典使用場景是公交發車，為了簡化理解我們這里定義，每輛公交車只要上滿 4 個人就發車，后面來的人都會排隊依次遵循相應的標準。

它的構造方法為?CyclicBarrier(int parties,Runnable barrierAction)?其中，parties 表示有幾個線程來參與等待，barrierAction 表示滿足條件之后觸發的方法。CyclicBarrier 使用 await() 方法來標識當前線程已到達屏障點，然后被阻塞。

CyclicBarrier 示例代碼如下：

import java.util.concurrent.*; public class CyclicBarrierTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4, new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("發車了");}});for (int i = 0; i < 4; i++) {new Thread(new CyclicWorker(cyclicBarrier)).start();}}static class CyclicWorker implements Runnable {private CyclicBarrier cyclicBarrier;CyclicWorker(CyclicBarrier cyclicBarrier) {this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 2; i++) {System.out.println("乘客：" + i);try {cyclicBarrier.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}}}} }

以上程序執行結果如下：

乘客：0

乘客：0

乘客：0

乘客：0

發車了

乘客：1

乘客：1

乘客：1

乘客：1

發車了

三、Semaphore 介紹和使用

Semaphore（信號量）用于管理多線程中控制資源的訪問與使用。Semaphore 就好比停車場的門衛，可以控制車位的使用資源。比如來了 5 輛車，只有 2 個車位，門衛可以先放兩輛車進去，等有車出來之后，再讓后面的車進入。

Semaphore 示例代碼如下：

Semaphore semaphore = new Semaphore(2); ThreadPoolExecutor semaphoreThread = new ThreadPoolExecutor(10, 50, 60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>()); for (int i = 0; i < 5; i++) {semaphoreThread.execute(() -> {try {// 堵塞獲取許可semaphore.acquire();System.out.println("Thread：" + Thread.currentThread().getName() + " 時間：" + LocalDateTime.now());TimeUnit.SECONDS.sleep(2);// 釋放許可semaphore.release();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}); }

以上程序執行結果如下：

Thread：pool-1-thread-1 時間：2019-07-10 21:18:42

Thread：pool-1-thread-2 時間：2019-07-10 21:18:42

Thread：pool-1-thread-3 時間：2019-07-10 21:18:44

Thread：pool-1-thread-4 時間：2019-07-10 21:18:44

Thread：pool-1-thread-5 時間：2019-07-10 21:18:46

四、Phaser（移相器）

是 JDK 7 提供的，它的功能是等待所有線程到達之后，才繼續或者開始進行新的一組任務。比如有一個旅行團，我們規定所有成員必須都到達指定地點之后，才能發車去往景點一，到達景點之后可以各自游玩，之后必須全部到達指定地點之后，才能繼續發車去往下一個景點，類似這種場景就非常適合使用 Phaser。

Phaser 示例代碼如下：

public class Lesson5\_6 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Phaser phaser = new MyPhaser();PhaserWorker[] phaserWorkers = new PhaserWorker[5];for (int i = 0; i < phaserWorkers.length; i++) {phaserWorkers[i] = new PhaserWorker(phaser);// 注冊 Phaser 等待的線程數，執行一次等待線程數 +1phaser.register();}for (int i = 0; i < phaserWorkers.length; i++) {// 執行任務new Thread(new PhaserWorker(phaser)).start();}}static class PhaserWorker implements Runnable {private final Phaser phaser;public PhaserWorker(Phaser phaser) {this.phaser = phaser;}@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " | 到達" );phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 集合完畢發車try {Thread.sleep(new Random().nextInt(5) * 1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " | 到達" );phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 景點 1 集合完畢發車Thread.sleep(new Random().nextInt(5) * 1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " | 到達" );phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 景點 2 集合完畢發車} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}// Phaser 每個階段完成之后的事件通知static class MyPhaser extends Phaser{@Overrideprotected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) { // 每個階段執行完之后的回調switch (phase) {case 0:System.out.println("==== 集合完畢發車 ====");return false;case 1:System.out.println("==== 景點1集合完畢，發車去下一個景點 ====");return false;case 2:System.out.println("==== 景點2集合完畢，發車回家 ====");return false;default:return true;}}} }

以上程序執行結果如下：

Thread-0 | 到達

Thread-4 | 到達

Thread-3 | 到達

Thread-1 | 到達

Thread-2 | 到達

==== 集合完畢發車 ====

Thread-0 | 到達

Thread-4 | 到達

Thread-1 | 到達

Thread-3 | 到達

Thread-2 | 到達

==== 景點1集合完畢，發車去下一個景點 ====

Thread-4 | 到達

Thread-3 | 到達

Thread-2 | 到達

Thread-1 | 到達

Thread-0 | 到達

==== 景點2集合完畢，發車回家 ====

相關面試題

1.以下哪個類用于控制某組資源的訪問權限？

• A：Phaser
• B：Semaphore
• C：CountDownLatch
• D：CyclicBarrier

答：B

2.以下哪個類不能被重用？

• A：Phaser
• B：Semaphore
• C：CountDownLatch
• D：CyclicBarrier

答：C

3.以下哪個方法不屬于 CountDownLatch 類？

• A：await()
• B：countDown()
• C：getCount()
• D：release()

答：D。release() 是 Semaphore 的釋放許可的方法，CountDownLatch 類并不包含此方法。

4.CyclicBarrier 與 CountDownLatch 有什么區別？

答：CyclicBarrier 與 CountDownLatch 本質上都是依賴 volatile 和 CAS 實現的，它們區別如下：

• CountDownLatch 只能使用一次，而 CyclicBarrier 可以使用多次。
• CountDownLatch 是手動指定等待一個或多個線程執行完成再執行，而 CyclicBarrier 是 n 個線程相互等待，任何一個線程完成之前，所有的線程都必須等待。

5.以下哪個類不包含 await() 方法？

• A：Semaphore
• B：CountDownLatch
• C：CyclicBarrier

答：A

6.以下程序執行花費了多長時間？

Semaphore semaphore = new Semaphore(2); ThreadPoolExecutor semaphoreThread = new ThreadPoolExecutor(10, 50, 60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>()); for (int i = 0; i < 3; i++) {semaphoreThread.execute(() -> {try {semaphore.release();System.out.println("Hello");TimeUnit.SECONDS.sleep(2);semaphore.acquire();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}); }

• A：1s 以內
• B：2s 以上

答：A。循環先執行了 release() 也就是釋放許可的方法，因此程序可以一次性執行 3 個線程，同時會在 1s 以內執行完。

7.Semaphore 有哪些常用的方法？

答：常用方法如下：

• acquire()：獲取一個許可。
• release()：釋放一個許可。
• availablePermits()：當前可用的許可數。
• acquire(int n)：獲取并使用 n 個許可。
• release(int n)：釋放 n 個許可。

8.Phaser 常用方法有哪些？

答：常用方法如下：

• register()：注冊新的參與者到 Phaser
• arriveAndAwaitAdvance()：等待其他線程執行
• arriveAndDeregister()：注銷此線程
• forceTermination()：強制 Phaser 進入終止態
• isTerminated()：判斷 Phaser 是否終止

9.以下程序是否可以正常執行？“發車了”打印了多少次？

import java.util.concurrent.*; public class TestMain {public static void main(String[] args) {CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4, new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("發車了");}});for (int i = 0; i < 4; i++) {new Thread(new CyclicWorker(cyclicBarrier)).start();}}static class CyclicWorker implements Runnable {private CyclicBarrier cyclicBarrier;CyclicWorker(CyclicBarrier cyclicBarrier) {this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 2; i++) {System.out.println("乘客：" + i);try {cyclicBarrier.await();System.out.println("乘客 II：" + i);cyclicBarrier.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}}}} }

答：可以正常執行，因為執行了兩次 await()，所以“發車了”打印了 4 次。

總結

本文我們介紹了四種比 synchronized 更高級的線程同步類，其中 CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser 功能比較類似都是實現線程間的等待，只是它們的側重點有所不同，其中 CountDownLatch 一般用于等待一個或多個線程執行完，才執行當前線程，并且 CountDownLatch 不能重復使用；CyclicBarrier 用于等待一組線程資源都進入屏障點再共同執行；Phaser 是 JDK 7 提供的功能更加強大和更加靈活的線程輔助工具，等待所有線程達到之后，繼續或開始新的一組任務，Phaser 提供了動態增加和消除線程同步個數功能。而 Semaphore 提供的功能更像鎖，用于控制一組資源的訪問權限。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java并发编程—线程同步类的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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