Java併發同步之CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

CountDownLatch

直譯過來就是倒計數(CountDown)門閂(Latch)。倒計數不用說，門閂的意思顧名思義就是阻止前進。在這裏就是指 CountDownLatch.await() 方法在倒計數爲0之前會阻塞當前線程。

作用

CountDownLatch 的作用和 Thread.join() 方法類似，可用於一組線程和另外一組線程的協作。例如，主線程在做一項工作之前需要一系列的準備工作，只有這些準備工作都完成，主線程才能繼續它的工作。這些準備工作彼此獨立，所以可以併發執行以提高速度。在這個場景下就可以使用 CountDownLatch 協調線程之間的調度了。在直接創建線程的年代（Java 5.0 之前），我們可以使用 Thread.join()。在 JUC 出現後，因爲線程池中的線程不能直接被引用，所以就必須使用 CountDownLatch 了。

示例

下面的這個例子可以理解爲 F1 賽車的維修過程，只有 startSignal （可以表示停車，可能名字不太貼合）命令下達之後，維修工纔開始幹活，只有等所有工人完成工作之後，賽車才能繼續。

class Driver { // ...
    void main() throws InterruptedException {
        CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);

        for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads
            new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();

        doSomethingElse();            // don't let run yet
        startSignal.countDown();      // let all threads proceed
        doSomethingElse();
        doneSignal.await();           // wait for all to finish
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private final CountDownLatch startSignal;
    private final CountDownLatch doneSignal;
    Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {
        this.startSignal = startSignal;
        this.doneSignal = doneSignal;
    }
    public void run() {
        try {
            startSignal.await();
            doWork();
            doneSignal.countDown();
        } catch (InterruptedException ex) {} // return;
    }

    void doWork() { ... }
}

當 startSignal.await() 會阻塞線程，當 startSignal.countDown() 被調用之後，所有 Worker 線程開始執行 doWork() 方法，所以 Worker。doWork() 是幾乎同時開始執行的。當 Worker.doWork() 執行完畢後，調用 doneSignal.countDown()，在所有 Worker 線程執行完畢之後，主線程繼續執行。

CyclicBarrier

CyclicBarrier 翻譯過來叫循環柵欄、循環障礙什麼的（還是有點彆扭的。所以還是別翻譯了，只可意會不可言傳啊）。它主要的方法就是一個：await()。await() 方法沒被調用一次，計數便會減少1，並阻塞住當前線程。當計數減至0時，阻塞解除，所有在此 CyclicBarrier 上面阻塞的線程開始運行。在這之後，如果再次調用 await() 方法，計數就又會變成 N-1，新一輪重新開始，這便是 Cyclic 的含義所在。

CyclicBarrier 的使用並不難，但需要主要它所相關的異常。除了常見的異常，CyclicBarrier.await() 方法會拋出一個獨有的 BrokenBarrierException。這個異常發生在當某個線程在等待本 CyclicBarrier 時被中斷或超時或被重置時，其它同樣在這個 CyclicBarrier 上等待的線程便會受到 BrokenBarrierException。意思就是說，同志們，別等了，有個小夥伴已經掛了，咱們如果繼續等有可能會一直等下去，所有各回各家吧。

CyclicBarrier.await() 方法帶有返回值，用來表示當前線程是第幾個到達這個 Barrier 的線程。

和 CountDownLatch 一樣，CyclicBarrier 同樣可以可以在構造函數中設定總計數值。與 CountDownLatch 不同的是，CyclicBarrier 的構造函數還可以接受一個 Runnable，會在 CyclicBarrier 被釋放時執行。

“NOTE: CyclicBarrier 的功能也可以由 CountDownLatch 來實現

示例

CyclicBarrier 的應用（當然，這個例子換成 CountDownLatch 也是可以實現的，很簡單，就不說怎麼寫了）

class Solver {
    final int N;
    final float[][] data;
    final CyclicBarrier barrier;

    class Worker implements Runnable {
        int myRow;
        Worker(int row) { myRow = row; }
        public void run() {
            while (!done()) {
                processRow(myRow);

                try {
                    barrier.await();
                } catch (InterruptedException ex) {
                    return;
                } catch (BrokenBarrierException ex) {
                    return;
                }
            }
        }
    }

    public Solver(float[][] matrix) {
        data = matrix;
        N = matrix.length;
        barrier = new CyclicBarrier(N, new Runnable() {
                public void run() {
                    mergeRows(...);
                }
            });
        for (int i = 0; i < N; ++i)
            new Thread(new Worker(i)).start();

        waitUntilDone();
    }
}

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 在用法上的不同

CountDownLatch 適用於一組線程和另一個主線程之間的工作協作。一個主線程等待一組工作線程的任務完畢才繼續它的執行是使用 CountDownLatch 的主要場景；CyclicBarrier 用於一組或幾組線程，比如一組線程需要在一個時間點上達成一致，例如同時開始一個工作。另外，CyclicBarrier 的循環特性和構造函數所接受的 Runnable 參數也是 CountDownLatch 所不具備的。

Semaphore

Semaphore 直譯是信號量，可能稱它是許可量更容易理解。當然，因爲在計算機科學中這個名字由來已久，所以不能亂改。它的功能比較好理解，就是通過構造函數設定一個數量的許可，然後通過 acquire 方法獲得許可，release 方法釋放許可。它還有 tryAcquire 和 acquireUninterruptibly 方法，可以根據自己的需要選擇

示例：Semaphore 控制資源訪問

class Pool {
    private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
    private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);

    public Object getItem() throws InterruptedException {
        available.acquire();
        return getNextAvailableItem();
    }

    public void putItem(Object x) {
        if (markAsUnused(x))
            available.release();
    }

    // Not a particularly efficient data structure; just for demo

    protected Object[] items = ... whatever kinds of items being managed
    protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];

    protected synchronized Object getNextAvailableItem() {
        for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
            if (!used[i]) {
                used[i] = true;
                return items[i];
            }
        }
        return null; // not reached
    }

    protected synchronized boolean markAsUnused(Object item) {
        for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
            if (item == items[i]) {
                if (used[i]) {
                    used[i] = false;
                    return true;
                } else
                    return false;
            }
        }
        return false;
    }
}

上面這個示例中 Semaphore 的用法沒什麼可多講的。需要留言的是這裏面有兩個同步方法，不過對吞吐應該沒什麼影響，因爲主要是對一個 boolean 數組做一下 O(n) 的操作，而且每個循環裏面的操作很簡單，所以速度很快。不過不知道 JUC 裏面線程池的控制是怎麼做的，本人不才，還沒看過那塊源代碼，得空看看，有知道的也可以說說。

最後一句話總結

CountDownLatch 是能使一組線程等另一組線程都跑完了再繼續跑；CyclicBarrier 能夠使一組線程在一個時間點上達到同步，可以是一起開始執行全部任務或者一部分任務。同時，它是可以循環使用的；Semaphore 是隻允許一定數量的線程同時執行一段任務。