Java 并发之 CountDownLatch、CyclicBarrier 和 Semaphore

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(原来写过一篇相同标题的文章,不过因为 OSChina 编辑器的缘故,格式改乱了,所以重写一篇。原文已删除,收藏原文的朋友对不住。)

这次说一下 JUC 中的同步器三个主要的成员:CountDownLatchCyclicBarrierSemaphore(不知道有没有初学者觉得这三个的名字不太好记)。这三个是 JUC 中较为常用的同步器,通过它们可以方便地实现很多线程之间协作的功能。(下面的代码出自 JDK 文档)

CountDownLatch

直译过来就是倒计数(CountDown)门闩(Latch)。倒计数不用说,门闩的意思顾名思义就是阻止前进。在这里就是指 CountDownLatch.await() 方法在倒计数为0之前会阻塞当前线程。

作用

CountDownLatch 的作用和 Thread.join() 方法类似,可用于一组线程和另外一组线程的协作。例如,主线程在做一项工作之前需要一系列的准备工作,只有这些准备工作都完成,主线程才能继续它的工作。这些准备工作彼此独立,所以可以并发执行以提高速度。在这个场景下就可以使用 CountDownLatch 协调线程之间的调度了。在直接创建线程的年代(Java 5.0 之前),我们可以使用 Thread.join()。在 JUC 出现后,因为线程池中的线程不能直接被引用,所以就必须使用 CountDownLatch 了。

示例

下面的这个例子可以理解为 F1 赛车的维修过程,只有 startSignal (可以表示停车,可能名字不太贴合)命令下达之后,维修工才开始干活,只有等所有工人完成工作之后,赛车才能继续。

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() { ... }
}

startSignal.await() 会阻塞线程,当 startSignal.countDown() 被调用之后,所有 Worker 线程开始执行 doWork() 方法,所以 Worker。doWork() 是几乎同时开始执行的。当 Worker.doWork() 执行完毕后,调用 doneSignal.countDown(),在所有 Worker 线程执行完毕之后,主线程继续执行。

CyclicBarrier

CyclicBarrier 翻译过来叫循环栅栏、循环障碍什么的(还是有点别扭的。所以还是别翻译了,只可意会不可言传啊)。它主要的方法就是一个:await()await() 方法每被调用一次,计数便会减少1,并阻塞住当前线程。当计数减至0时,阻塞解除,所有在此 CyclicBarrier 上面阻塞的线程开始运行。在这之后,如果再次调用 await() 方法,计数就又会变成 N-1,新一轮重新开始,这便是 Cyclic 的含义所在。

CyclicBarrier 的使用并不难,但需要注意它所相关的异常。除了常见的异常,CyclicBarrier.await() 方法会抛出一个独有的 BrokenBarrierException。这个异常发生在当某个线程在等待本 CyclicBarrier 时被中断或超时或被重置时,其它同样在这个 CyclicBarrier 上等待的线程便会受到 BrokenBarrierException。意思就是说,同志们,别等了,有个小伙伴已经挂了,咱们如果继续等有可能会一直等下去,所有各回各家吧。

CyclicBarrier.await() 方法带有返回值,用来表示当前线程是第几个到达这个 Barrier 的线程。

CountDownLatch 一样,CyclicBarrier 同样可以可以在构造函数中设定总计数值。与 CountDownLatch 不同的是,CyclicBarrier 的构造函数还可以接受一个 Runnable,会在 CyclicBarrier 被释放时执行。

NOTE: CyclicBarrier 的功能也可以由 CountDownLatch 来实现

示例

CyclicBarrier 的应用(当然,这个例子换成 CountDownLatch 也是可以实现的,很简单,就不说怎么写了)

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();
    }
}

CyclicBarrierCountDownLatch 在用法上的不同

CountDownLatch 适用于一组线程和另一个主线程之间的工作协作。一个主线程等待一组工作线程的任务完毕才继续它的执行是使用 CountDownLatch 的主要场景;CyclicBarrier 用于一组或几组线程,比如一组线程需要在一个时间点上达成一致,例如同时开始一个工作。另外,CyclicBarrier 的循环特性和构造函数所接受的 Runnable 参数也是 CountDownLatch 所不具备的。

Semaphore

Semaphore 直译是信号量,可能称它是许可量更容易理解。当然,因为在计算机科学中这个名字由来已久,所以不能乱改。它的功能比较好理解,就是通过构造函数设定一个数量的许可,然后通过 acquire 方法获得许可,release 方法释放许可。它还有 tryAcquireacquireUninterruptibly 方法,可以根据自己的需要选择

示例:Semaphore 控制资源访问

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;
    }
}

上面这个示例中 Semaphore 的用法没什么可多讲的。需要留言的是这里面有两个同步方法,不过对吞吐应该没什么影响,因为主要是对一个 boolean 数组做一下 O(n) 的操作,而且每个循环里面的操作很简单,所以速度很快。不过不知道 JUC 里面线程池的控制是怎么做的,本人不才,还没看过那块源代码,得空看看,有知道的也可以说说。

最后一句话总结

CountDownLatch 是能使一组线程等另一组线程都跑完了再继续跑;CyclicBarrier 能够使一组线程在一个时间点上达到同步,可以是一起开始执行全部任务或者一部分任务。同时,它是可以循环使用的;Semaphore 是只允许一定数量的线程同时执行一段任务。

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