Java并发编程：Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier
首先我们来实现一个功能：当我们启动一个系统的时候需要初始化许多数据，这时候我们可能需要启动很多线程来进行数据的初始化，只有这些系统初始化结束之后才能够启动系统。其实在Java的类库中已经提供了Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier这3个类来帮我们实现这样类似的功能了。
一、信号灯 Semaphore
Semaphore sp = new Semaphore(int permits) 接受一个整数型的参数，表示有几盏灯。线程可以通过semaphore.acquire()获取一盏信号灯，通过semaphore.release()释放。它与 Lock 的区别就是 Lock 只能是一个锁，而 Semaphore 更像是多个锁的一个集合，像一个阻塞队列一样，当队列中的锁用完了，而你又需要锁的时候，你就必须等待其他的线程释放锁。
下面我们声明了只有 1 个灯的信号灯，然后启动 3 个线程同时去获取信号灯，另外还启动了 1 个线程每 2 秒就释放一次信号灯。
/** * Semaphore 实现信号灯 * @author chenyr * @time 2014-12-24 下午08:13:32 * All Rights Reserved. */ public class Semaphore1 { public static void main(String[] args) { final Semaphore sp = new Semaphore(1); //只声明一盏信号灯 //业务线程1 new Thread(new Runnable(){ public void run(){ try{ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备获取信号灯-A"); sp.acquire(); //获取信号灯 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已获取信号灯-A"); }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); } } }).start(); //业务线程2 new Thread(new Runnable(){ public void run(){ try{ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备获取信号灯-B"); sp.acquire(); //获取信号灯 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已获取信号灯-B"); }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); } } }).start(); //业务线程3 new Thread(new Runnable(){ public void run(){ try{ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备获取信号灯-C"); sp.acquire(); //获取信号灯 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已获取信号灯-C"); }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); } } }).start(); //检查线程 new Timer().schedule(new TimerTask(){ public void run(){ System.out.println("每10s释放一次信号灯"); sp.release(); System.out.println("信号灯已释放"); } }, 2000, 2000); //每2秒释放一次信号灯 } }
执行结果如下：
Thread-0准备获取信号灯-A Thread-0已获取信号灯-A Thread-1准备获取信号灯-B Thread-2准备获取信号灯-C 每2s释放一次信号灯 信号灯已释放 Thread-1已获取信号灯-B 每2s释放一次信号灯 信号灯已释放 Thread-2已获取信号灯-C 每2s释放一次信号灯 信号灯已释放
从结果可以看出一开始 Thread-0 获得了锁，Thread-1 和 Thread-2 都在等待获取，直到检查线程 2 秒后释放信号灯，Thread-1 才获得了信号灯。而 Thread-2 是在检查线程再次释放锁的时候获取到的。
二、倒计时门栓 CountDownLatch
接受一个整数型的参数，可以通过countDownLatch.countDown()减少一个计时，countDownLatch.await()进行线程等待，等到countDownLatch中的计数到0之后就会恢复执行。CountDownLatch 与 Semaphore 的作用完全不同，CountDownLatch 是类似于集合点的一个类，当调用者到达一个数目就会触发一些操作。而 Semaphore 是一个类似于锁队列的东西，锁用完了就是用完了，而不会触发操作。
下面我们模拟跑步比赛的例子，用 3 个线程分别模拟 3 个运动员。而这其中有 3 个节点，分别是：
1、要等 3 个运动员都准备好了，裁判才能发开跑命令
2、3 个运动员要等裁判发令才能跑
3、裁判员要等 3 个运动员都到终点了才能宣布成绩
这 3 个时间点我们分别用一个 CountDownLatch 对象来表示，具体实现如下。
/** * CountDownLatch同步工具 * 实例：模拟运动员跑步的例子（等待裁判发令，3个运动员才跑。等到3个运动员都跑完了，裁判才宣布成绩） * @author chenyr * @time 2014-12-25 下午07:49:25 * All Rights Reserved. */ public class CountDownLatch1 { public static void main(String[] args) { ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool(); //要等到3个运动都准备好了，裁判才能命令 final CountDownLatch waitCd = new CountDownLatch(3); //裁判发1次命令，运动员就开始跑 final CountDownLatch orderCd = new CountDownLatch(1); //要等到3个运动员到达终点，裁判才公布成绩 final CountDownLatch scoreCd = new CountDownLatch(3); //模拟3个运动员 for(int i = 1; i <= 3; i++){ final int count = i; Runnable runnable = new Runnable(){ public void run(){ try{ System.out.println("运动员" + count + "站在起跑线准备比赛了!"); waitCd.countDown(); //准备好 orderCd.await(); Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000)); //模拟运动员隔多久听到命令 System.out.println("运动员" + count + "听到开跑命令，开跑！"); Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000)); //模拟运动员用多长时间跑到终点 System.out.println("运动员" + count + "跑到了终点!"); scoreCd.countDown(); //跑到终点 }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); } } }; service.execute(runnable); } //模拟裁判 Runnable runnable = new Runnable(){ public void run(){ try{ System.out.println("裁判已到位，正在等待运动员做好准备！"); waitCd.await(); System.out.println("所有运动员已经就位，裁判准备发令！"); Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000)); //模拟裁判的准备时间 System.out.println("裁判：比赛开始！ 跑！跑！跑！"); orderCd.countDown(); //开跑 scoreCd.await(); System.out.println("所有运动员已经到达终点，裁判宣布成绩！"); }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); } } }; service.execute(runnable); service.shutdown(); } }
运行结果如下：
运动员2站在起跑线准备比赛了! 运动员3站在起跑线准备比赛了! 裁判已到位，正在等待运动员做好准备！ 运动员1站在起跑线准备比赛了! 所有运动员已经就位，裁判准备发令！ 裁判：比赛开始！ 跑！跑！跑！ 运动员1听到开跑命令，开跑！ 运动员2听到开跑命令，开跑！ 运动员1跑到了终点! 运动员3听到开跑命令，开跑！ 运动员2跑到了终点! 运动员3跑到了终点! 所有运动员已经到达终点，裁判宣布成绩！
三、栅栏 CyclicBarrier
CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(int parties) 接受一个整数型的参数。线程可以通过cb.await()等待，只要正在等待的线程数目达到设定的参数，所有等待的线程就会恢复执行。CyclicBarrier 与 CountDownLatch 相似，都是要达到一样的人数才可以执行某些操作，只不过 CountDownLatch 是减操作，而 CyclicBarrier 是加操作。与 CyclicBarrier 相似的事件是集合点，即我们 5 个人周末一起去爬山，我们大家都要在某个地方等 5 个人到齐了再出发。
下面设置了两个集合点，只有当全部人到齐了第一个集合点之后，才会继续前往下一个集合点。
/** * CyclicBarrier同步工具 * 等待所有线程到达之后再继续执行 * @author chenyr * @time 2014-12-25 下午07:30:00 * All Rights Reserved. */ public class CyclicBarrier1 { public static void main(String[] args) { ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool(); final CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(3); //一共要等到几个线程才继续执行 for(int i = 1; i <= 3; i++){ Runnable runnable = new Runnable(){ public void run(){ try{ Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000)); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经到达集合点A，正在等待。目前已有" + (cb.getNumberWaiting() + 1) + "个线程在等待" ); cb.await(); System.out.println("全部线程到达A集合点"); Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000)); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经到达集合点B，正在等待。目前已有" + (cb.getNumberWaiting() + 1) + "个线程在等待" ); cb.await(); System.out.println("全部线程到达B集合点"); }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); } } }; service.execute(runnable); } } }
运行结果如下：
pool-1-thread-2已经到达集合点A，正在等待。目前已有1个线程在等待 pool-1-thread-1已经到达集合点A，正在等待。目前已有2个线程在等待 pool-1-thread-3已经到达集合点A，正在等待。目前已有3个线程在等待 全部线程到达A集合点 全部线程到达A集合点 全部线程到达A集合点 pool-1-thread-1已经到达集合点B，正在等待。目前已有1个线程在等待 pool-1-thread-3已经到达集合点B，正在等待。目前已有2个线程在等待 pool-1-thread-2已经到达集合点B，正在等待。目前已有3个线程在等待 全部线程到达B集合点 全部线程到达B集合点 全部线程到达B集合点
四、CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的区别
一般情况下对于两个非常相似的类，我们一般都会想当然地去把他们进行类比。对于 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 两个类，我们可以看到CountDownLatch 类都是一个类似于集结点的概念，很多个线程做完事情之后等待其他线程完成，全部线程完成之后再恢复运行。不同的是CountDownLatch 类需要你自己调用 countDown() 方法减少一个计数，然后调用 await() 方法即可。而 CyclicBarrier 则直接调用 await() 方法即可。
所以从上面来看，CountDownLatch 更倾向于多个线程合作的情况，等你所有东西都准备好了，我这边就自动执行了。而 CyclicBarrier 则是我们都在一个地方等你，大家到齐了，大家再一起执行。