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，每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：
- 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；
- 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；
- countDown()：使CountDownLatch初始值N减1；
- 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:
package 并发多线程;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* 倒计时器CountDownLatch
* @author xjh 2019.12.28
*/
public class CountDownLatch_Demo {
//表示1个裁判员维护6个选手
private static CountDownLatch startSignal =new CountDownLatch(1);
private static CountDownLatch endSingal =new CountDownLatch(6);
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService=Executors.newFixedThreadPool(6); //创建一个定长线程池(6个线程)
for (int i=0;i<6;i++){
executorService.execute(()->{
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 选手等待裁判响哨。");
startSignal.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 选手正在冲刺。");
endSingal.countDown(); //countDownLatch减1
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 选手到达终点。");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
try {
System.out.println("裁判发号施令~");
startSignal.countDown();
endSingal.await();
System.out.println("所有选手到达终点，结束~");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
executorService.shutdown();// 线程池关闭
}
}
输出结果：
pool-1-thread-1 选手等待裁判响哨。
pool-1-thread-5 选手等待裁判响哨。
pool-1-thread-4 选手等待裁判响哨。
pool-1-thread-3 选手等待裁判响哨。
pool-1-thread-2 选手等待裁判响哨。
pool-1-thread-6 选手等待裁判响哨。
裁判发号施令~
pool-1-thread-3 选手正在冲刺。
pool-1-thread-2 选手等待裁判响哨。
pool-1-thread-2 选手正在冲刺。
pool-1-thread-2 选手到达终点。
pool-1-thread-3 选手到达终点。
pool-1-thread-6 选手等待裁判响哨。
pool-1-thread-6 选手正在冲刺。
pool-1-thread-1 选手正在冲刺。
pool-1-thread-4 选手正在冲刺。
pool-1-thread-6 选手到达终点。
pool-1-thread-5 选手正在冲刺。
pool-1-thread-5 选手到达终点。
pool-1-thread-4 选手到达终点。
pool-1-thread-1 选手到达终点。
所有选手到达终点，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();对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：
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。
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。
package 并发多线程.计数器;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* CyclicBarrier的简单运用
* @author xjh 2019.12.28
*/
public class CyclicBarrier_Demo {
private static CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(6,()->{
// 这里构造函数 指定6个线程到达指定临界点之后 才能执行下面的print
System.out.println("所有选手入场，等待裁判发令！！！");
});
public static void main(String[] args) {
System.out.println("选手进场.....");
ExecutorService executorService= Executors.newFixedThreadPool(6);
for (int i=0;i<6;i++){
executorService.execute(()->{
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "选手准备");
cyclicBarrier.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 选手出发");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
}
}
输出结果：
选手进场.....
pool-1-thread-2选手准备
pool-1-thread-3选手准备
pool-1-thread-1选手准备
pool-1-thread-4选手准备
pool-1-thread-5选手准备
pool-1-thread-6选手准备
所有选手入场，等待裁判发令！！！
pool-1-thread-2 选手出发
pool-1-thread-4 选手出发
pool-1-thread-3 选手出发
pool-1-thread-1 选手出发
pool-1-thread-6 选手出发
pool-1-thread-5 选手出发
从输出结果可以看出，当6个选手（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()处
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：
- 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。
- 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；
- 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；
- CountDownLatch是不能复用的，而CyclicLatch是可以复用的。
4. 信号量Semaphore
Semaphore可以理解为信号量，用于控制资源能够被并发访问的线程数量，以保证多个线程能够合理的使用特定资源。Semaphore就相当于一个许可证，线程需要先通过acquire方法获取该许可证，该线程才能继续往下执行，否则只能在该方法出阻塞等待。当执行完业务功能后，需要通过release()方法将许可证归还，以便其他线程能够获得许可证继续执行。
Semaphore可以用于做流量控制，特别是公共资源有限的应用场景，比如数据库连接。假如有多个线程读取数据后，需要将数据保存在数据库中，而可用的最大数据库连接只有10个，这时候就需要使用Semaphore来控制能够并发访问到数据库连接资源的线程个数最多只有10个。在限制资源使用的应用场景下，Semaphore是特别合适的。
下面来看下Semaphore的主要方法：
//获取许可，如果无法获取到，则阻塞等待直至能够获取为止
void acquire() throws InterruptedException
//同acquire方法功能基本一样，只不过该方法可以一次获取多个许可
void acquire(int permits) throws InterruptedException
//释放许可
void release()
//释放指定个数的许可
void release(int permits)
//尝试获取许可，如果能够获取成功则立即返回true，否则，则返回false
boolean tryAcquire()
//与tryAcquire方法一致，只不过这里可以指定获取多个许可
boolean tryAcquire(int permits)
//尝试获取许可，如果能够立即获取到或者在指定时间内能够获取到，则返回true，否则返回false
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
//与上一个方法一致，只不过这里能够获取多个许可
boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
//返回当前可用的许可证个数
int availablePermits()
//返回正在等待获取许可证的线程数
int getQueueLength()
//是否有线程正在等待获取许可证
boolean hasQueuedThreads()
//获取所有正在等待许可的线程集合
Collection<Thread> getQueuedThreads()
另外，在Semaphore的构造方法中还支持指定是够具有公平性，默认的是非公平性，这样也是为了保证吞吐量。
下面用一个简单的例子来说明Semaphore的具体使用。我们来模拟这样一样场景。有一天，班主任需要班上10个同学到讲台上来填写一个表格，但是老师只准备了5支笔，因此，只能保证同时只有5个同学能够拿到笔并填写表格，没有获取到笔的同学只能够等前面的同学用完之后，才能拿到笔去填写表格。该示例代码如下：
package 并发多线程.常用的并发工具;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
/**
* 信号量Semaphore 简单运用
* @author xjh 2019.12.28
*/
public class Semaphore_Demo {
//信号量设置为5
private static Semaphore semaphore=new Semaphore(5);
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService= Executors.newFixedThreadPool(10); //定义10个线程
for (int i=0;i<10;i++){
executorService.execute(()->{
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 同学准备获取笔......");
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 同学准备获取到笔......");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 同学填写表格......");
Thread.sleep(3000);
semaphore.release();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 填写完表格，归还了笔！！！！！！");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
executorService.shutdown(); //关闭线程池
}
}
输出结果：
pool-1-thread-1 同学准备获取笔......
pool-1-thread-4 同学准备获取笔......
pool-1-thread-3 同学准备获取笔......
pool-1-thread-6 同学准备获取笔......
pool-1-thread-2 同学准备获取笔......
pool-1-thread-6 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-7 同学准备获取笔......
pool-1-thread-3 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-3 同学填写表格......
pool-1-thread-9 同学准备获取笔......
pool-1-thread-4 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-5 同学准备获取笔......
pool-1-thread-1 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-1 同学填写表格......
pool-1-thread-4 同学填写表格......
pool-1-thread-8 同学准备获取笔......
pool-1-thread-6 同学填写表格......
pool-1-thread-2 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-2 同学填写表格......
pool-1-thread-10 同学准备获取笔......
pool-1-thread-3 填写完表格，归还了笔！！！！！！
pool-1-thread-7 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-7 同学填写表格......
pool-1-thread-4 填写完表格，归还了笔！！！！！！
pool-1-thread-10 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-10 同学填写表格......
pool-1-thread-8 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-8 同学填写表格......
pool-1-thread-5 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-5 同学填写表格......
pool-1-thread-6 填写完表格，归还了笔！！！！！！
pool-1-thread-1 填写完表格，归还了笔！！！！！！
pool-1-thread-2 填写完表格，归还了笔！！！！！！
pool-1-thread-9 同学准备获取到笔......
pool-1-thread-9 同学填写表格......
pool-1-thread-7 填写完表格，归还了笔！！！！！！
pool-1-thread-9 填写完表格，归还了笔！！！！！！
pool-1-thread-10 填写完表格，归还了笔！！！！！！
pool-1-thread-8 填写完表格，归还了笔！！！！！！
pool-1-thread-5 填写完表格，归还了笔！！！！！！
5. 线程间交换数据的工具–Exchanger
Exchanger是一个用于线程间协作的工具类，用于两个线程间能够交换。它提供了一个交换的同步点，在这个同步点两个线程能够交换数据。具体交换数据是通过exchange方法来实现的，如果一个线程先执行exchange方法，那么它会同步等待另一个线程也执行exchange方法，这个时候两个线程就都达到了同步点，两个线程就可以交换数据。
Exchanger除了一个无参的构造方法外，主要方法也很简单：
//当一个线程执行该方法的时候，会等待另一个线程也执行该方法，因此两个线程就都达到了同步点
//将数据交换给另一个线程，同时返回获取的数据
V exchange(V x) throws InterruptedException
//同上一个方法功能基本一样，只不过这个方法同步等待的时候，增加了超时时间
V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, TimeoutException
Exchanger理解起来很容易，这里用一个简单的例子来看下它的具体使用。我们来模拟这样一个情景，在青春洋溢的中学时代，下课期间，男生经常会给走廊里为自己喜欢的女孩子送情书，相信大家都做过这样的事情吧 ：)。男孩会先到女孩教室门口，然后等女孩出来，教室那里就是一个同步点，然后彼此交换信物，也就是彼此交换了数据。现在，就来模拟这个情景。
参考资料：
大白话说java并发工具类-CountDownLatch，CyclicBarrier
大白话说java并发工具类-Semaphore，Exchanger
