CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore类的简单使用

题目：多线程之间需要等待协调，才能完成某种工作，问怎么设计这种协调方案？如：子线程循环10次，接着主线程循环100，接着又回到子线程循环10次，接着再回到主线程又循环100，如此循环50次。

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这个题目主要考查多线程之间的协调，关于线程的协调与通信怎么处理的思路见面试题10。
在并发编程中经常会使用到一些并发工具类，来对线程的并发量、执行流程、资源依赖等进行控制。这里我们主要探讨三个经常使用的并发工具类：CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore。

1. CountDownLatch

从CountDownLatch的字面意思就可以体现出其设计模型，countdown在英语里具有倒计时的（倒数）意思，Latch就是门闩的意思。CountDownLatch的构造函数接受一个int值作为计数器的初始值N，当程序调用countDown()的时候，N便会减1（体现出了倒数的意义），当N值减为0的时候，阻塞在await()的线程便会唤醒，继续执行。这里通过一个例子来说明其应用场景。

假设我们主线程需要创建5个工作线程来分别执行5个任务，主线程需要等待5个任务全部完成后才会进行后续操作，那么我们就可以声明N=5的CountDownLatch，来进行控制。

代码如下：

public class CountDownLatchDemo {
      private static final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          //循环创建5个工作线程
          for( int ix = 0; ix != 5; ix++ ){
              new Thread(new Runnable() {
                  public void run() {
                      try{
                          System.out.println( Thread.currentThread().getName() + " start" );
                          Thread.sleep(1000);
                          countDownLatch.countDown();
                          System.out.println( Thread.currentThread().getName() + " stop" );
                      } catch ( InterruptedException ex ){
                      }
                  }
              }, "Task-Thread-" + ix ).start();
  
              Thread.sleep(500);
          }
          //主线程等待所有任务完成
          countDownLatch.await();
          System.out.println("All task has completed.");
      }
  }

运行结果：

Task-Thread-0 start
Task-Thread-1 start
Task-Thread-0 stop
Task-Thread-2 start
Task-Thread-1 stop
Task-Thread-3 start
Task-Thread-2 stop
Task-Thread-4 start
Task-Thread-3 stop
Task-Thread-4 stop
All task has completed.

在主线程创建了5个工作线程后，就会阻塞在countDownLatch.await()，等待5个工作线程全部完成任务后返回。任务的执行顺序可能会不同，但是任务完成的Log一定会在最后显示。CountDownLatch通过计数器值的控制，实现了允许一个或多个线程等待其他线程完成操作的并发控制。

2. CyclicBarrier

CyclicBarrier就字面意思是可循环的屏障，其体现了两个特点，可循环和屏障。调用CyclicBarrier的await()方法便是在运行线程中插入了屏障，当线程运行到这个屏障时，便会阻塞在await()方法中，直到等待所有线程运行到屏障后，才会返回。CyclicBarrier的构造函数同样接受一个int类型的参数，表示屏障拦截线程的数目。另一个特点循环便是体现处出了CyclicBarrier与CountDownLatch不同之处了，CyclicBarrier可以通过reset()方法，将N值重置，循环使用，而CountDownLatch的计数器是不能重置的。此外，CyclicBarrier还提供了一个更高级的用法，允许我们设置一个所有线程到达屏障后，便立即执行的Runnable类型的barrierAction（注意：barrierAction不会等待await()方法的返回才执行，是立即执行！）机会，这里我们通过以下代码来测试一下CyclicBarrier的特性。

代码如下：

public class CyclicBarrierDemo {
    private final static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, new MyBarrierAction());
    private final static AtomicInteger atcIx = new AtomicInteger(1);
    public static void main(String[] args) {
        for (int ix = 0; ix != 10; ix++){
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    try{
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start");
                        Thread.sleep(atcIx.getAndIncrement() * 1000 );
                        cyclicBarrier.await();
                        System.out.println( Thread.currentThread().getName() + " stop" );
                    } catch ( Exception ex){
                    }
                }
            }, "Thread-" + ix).start();
        }
    }

    private static class MyBarrierAction implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("MyBarrierAction is call.");
        }
    }
}

运行结果：

Thread-0 start
Thread-1 start
Thread-2 start
Thread-3 start
Thread-4 start
MyBarrierAction is call.
Thread-4 stop
Thread-0 stop
Thread-1 stop
Thread-2 stop
Thread-3 stop

根据运行结果，我们可以看到一下几点：

首先在线程没有调用够N次cyclicBarrier.await()时，所有线程都会阻塞在cyclicBarrier.await()上，也就是说必须N个线程同时到达屏障，才会所有线程越过屏障继续执行。

验证了BarrierAction的执行时机是所有阻塞线程都到达屏障之后，并且BarrierAction执行后，所有线程才会从await()方法返回，继续执行。

3. Semaphore

Semaphore信号量并发工具类，其提供了aquire()和release()方法来进行并发控制。Semaphore一般用于资源限流，限量的工作场景，例如数据库连接控制。假设数据库的最大负载在10个连接，而现在有100个客户端想进行数据查询，显然我们不能让100个客户端同时连接上来，找出数据库服务的崩溃。那么我们可以创建10张令牌，想要连接数据库的客户端，都必须先尝试获取令牌（Semaphore.aquire()），当客户端获取到令牌后便可以进行数据库连接，并在完成数据查询后归还令牌（Semaphore.release()），这样就能保证同时连接数据库的客户端不超过10个，因为只有10张令牌，这里给出该场景的模拟代码。

代码如下：

public class SemaphoreDemo {
    private static final Semaphore semaphoreToken = new Semaphore(10);
    public static void main(String[] args) {
        for (int ix = 0; ix != 100; ix++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        semaphoreToken.acquire();
                        System.out.println("select * from xxx");
                        semaphoreToken.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

也许有同学会问，aquire()函数获取许可证的顺序和调用的先后顺序有关系吗，也就是说该例子中客户端是否是排队获取令牌的？答案不是，因为Semaphore默认是非公平的，当然其构造函数提供了设置为公平信号量的参数。

####4. 本例答案

public class Question12 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Object object = new Object();
        new Thread(new Runnable() {

            public void run() {
                for (int i = 0; i < 50; i++) {
                    synchronized (object) {
                        for (int j = 0; j < 10; j++) {
                            System.out.println("SubThread:" + (j + 1));
                        }
                        object.notify();
                        try {
                            object.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        }).start();

        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            synchronized (object) {
                //主线程让出锁，等待子线程唤醒
                object.wait();
                for (int j = 0; j < 100; j++) {
                    System.out.println("MainThread:" + (j + 1));
                }
                object.notify();
            }
        }
    }
}

这个题目例子比较多，最好自己去分析跑一下代码，结合代码来分析理解这些概念。