在JDK的併發包（java.util.concurrent下）中給開發者提供了幾個非常有用的併發工具類，讓使用者不需要再去關心如何在併發場景下寫出同時兼顧執行緒安全性與高效率的程式碼。
本文分別介紹CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore這三個工具類在不同場景下的簡單使用，並結合jdk1.8原始碼簡單分析它們的實現原理。
CountDownLatch
CountDownLatch允許一個或多個執行緒等待其他執行緒完成操作。
假設一個Excel檔案有多個sheet，我們需要去記錄每個sheet有多少行資料，
這時我們就可以使用CountDownLatch實現主執行緒等待所有sheet執行緒完成sheet的解析操作後，再繼續執行自己的任務。
public class CountDownLatchTest {
private static class WorkThread extends Thread {
private CountDownLatch cdl;
public WorkThread(String name, CountDownLatch cdl) {
super(name);
this.cdl = cdl;
}
public void run() {
System.out.println(this.getName() + "啟動了，時間為" + System.currentTimeMillis());
System.out.println(this.getName() + "我要統計每個sheet的行數");
try {
cdl.await();
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(this.getName() + "執行完了，時間為" + System.currentTimeMillis());
}
}
private static class sheetThread extends Thread {
private CountDownLatch cdl;
public sheetThread(String name, CountDownLatch cdl) {
super(name);
this.cdl = cdl;
}
public void run() {
try {
System.out.println(this.getName() + "啟動了，時間為" + System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(1000); //模擬任務執行耗時
cdl.countDown();
System.out.println(this.getName() + "執行完了，時間為" + System.currentTimeMillis() + " sheet的行數為：" + (int) (Math.random()*100));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(2);
WorkThread wt0 = new WorkThread("WorkThread", cdl );
wt0.start();
sheetThread dt0 = new sheetThread("sheetThread1", cdl);
sheetThread dt1 = new sheetThread("sheetThread2", cdl);
dt0.start();
dt1.start();
}
}
執行結果：
WorkThread啟動了，時間為1640054503027 WorkThread我要統計每個sheet的行數 sheetThread1啟動了，時間為1640054503028 sheetThread2啟動了，時間為1640054503029 sheetThread2執行完了，時間為1640054504031 sheet的行數為：6 sheetThread1執行完了，時間為1640054504031 sheet的行數為：44 WorkThread執行完了，時間為1640054505036
可以看到，首先WorkThread執行await後開始等待，WorkThread在等待sheetThread1和sheetThread2都執行完自己的任務後，WorkThread立刻繼續執行後面的程式碼。
CountDownLatch的建構函式接收一個int型別的引數作為計數器，如果你想等待N個點完成，這裡就傳入N。
當我們呼叫CountDownLatch的countDown方法時，N就會減1，CountDownLatch的await方法會阻塞當前執行緒，直到N變成零。
由於countDown方法可以用在任何地方，所以這裡說的N個點，可以是N個執行緒，也可以是1個執行緒裡的N個執行步驟。
用在多個執行緒時，只需要把這個CountDownLatch的引用傳遞到執行緒裡即可。
我們繼續根據上面的測試案例流程，一步一步的分析CountDownLatch 原始碼。
第一步看CountDownLatch的構造方法，傳入一個不能小於0的int型別的引數作為計數器
public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}
/**
* Synchronization control For CountDownLatch.
* Uses AQS state to represent count.
*/
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
Sync(int count) {
setState(count);
}
int getCount() {
return getState();
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
int nextc = c-1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
}
看它的註釋，說的非常清楚，Sync就是CountDownLatch的同步控制器了，而它也是繼承了AQS，並且第3行註釋說到使用了AQS的state去代表count值。
第二步就是工作執行緒呼叫await()方法
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
如果執行緒中斷，丟擲異常，否則開始呼叫 tryAcquireShared(1)，其內部類Sync的實現也非常簡單，就是判斷state也就是CountDownLatch的計數是否等於0，
如果等於0，則該方法返回1，第5行的if判斷不成立，否則該方法返回-1，第5行的if判斷成立，繼續執行doAcquireSharedInterruptibly(1)。
/**
* Acquires in shared interruptible mode.
* @param arg the acquire argument
*/
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
這個方法其實就是去獲取共享模式下的鎖，獲取失敗就park住。正如我們測試案例中的WorkThread執行緒應該次數就被park住了，那麼它又是何時被喚醒的呢？
下面就到 countDown()方法了
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
tryReleaseShared(1)方法嘗試去釋放共享鎖
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
int nextc = c-1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
在for迴圈中，先獲取CountDownLatch的計數也就是當前state，如果等於0返回false，否則將state更新為state-1，並返回最新的state是否等於0。
因此在我們的測試案例中，我們需要呼叫兩次 countDown方法，才會將全域性的state更新為0，然後繼續執行doReleaseShared()方法。
/**
* Release action for shared mode -- signals successor and ensures
* propagation. (Note: For exclusive mode, release just amounts
* to calling unparkSuccessor of head if it needs signal.)
*/
private void doReleaseShared() {
/*
* Ensure that a release propagates, even if there are other
* in-progress acquires/releases. This proceeds in the usual
* way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
* signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
* ensure that upon release, propagation continues.
* Additionally, we must loop in case a new node is added
* while we are doing this. Also, unlike other uses of
* unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
* fails, if so rechecking.
*/
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
/**
* Wakes up node's successor, if one exists.
*
* @param node the node
*/
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
LockSupport.unpark(s.thread)，喚醒執行緒的方法被呼叫後，WorkThread執行緒就可以繼續執行了。
至此我們簡單分析了整個測試案例中CountDownLatch的程式碼流程。
Semaphore
Semaphore（訊號量）是用來控制同時訪問特定資源的執行緒數量，相當於一個併發控制器，構造的時候傳入可供管理的訊號量的數值，這個數值就是用來控制併發數量的，
每個執行緒執行前先通過acquire方法獲取訊號，執行後通過release歸還訊號 。每次acquire返回成功後，Semaphore可用的訊號量就會減少一個，如果沒有可用的訊號，
acquire呼叫就會阻塞，等待有release呼叫釋放訊號後，acquire才會得到訊號並返回。
下面我們看個測試案例
public class SemaphoreTest {
public static void main(String[] args) {
final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
Runnable runnable = () -> {
try {
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "獲得了訊號量>>>>>,時間為" + System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(1000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "釋放了訊號量<<<<<,時間為" + System.currentTimeMillis());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release();
}
};
Thread[] threads = new Thread[10];
for (int i = 0; i < threads.length; i++)
threads[i] = new Thread(runnable);
for (int i = 0; i < threads.length; i++)
threads[i].start();
}
}
執行結果：
Thread-0獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058647604 Thread-1獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058647604 Thread-2獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058647604 Thread-3獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058647605 Thread-4獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058647605 Thread-0釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058648606 Thread-1釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058648606 Thread-5獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058648607 Thread-4釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058648607 Thread-3釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058648607 Thread-7獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058648607 Thread-8獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058648607 Thread-2釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058648606 Thread-6獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058648607 Thread-9獲得了訊號量>>>>>,時間為1640058648607 Thread-7釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058649607 Thread-6釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058649607 Thread-8釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058649607 Thread-9釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058649608 Thread-5釋放了訊號量<<<<<,時間為1640058649607
我們使用for迴圈同時建立10個執行緒，首先是執行緒 0 1 2 3 4獲得了訊號量，再後面的10行列印結果中，執行緒1到5分別釋放訊號量，相同執行緒間隔也是1000毫秒，
然後執行緒5 6 7 8 9才能繼續獲得訊號量，而且保持最大獲取訊號量的執行緒數小於等於5。
看下Semaphore的構造方法
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
它支援傳入一個int型別的permits，一個布林型別的fair，因此Semaphore也有公平模式與非公平模式。
/**
* Synchronization implementation for semaphore. Uses AQS state
* to represent permits. Subclassed into fair and nonfair
* versions.
*/
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
final int getPermits() {
return getState();
}
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
final void reducePermits(int reductions) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current - reductions;
if (next > current) // underflow
throw new Error("Permit count underflow");
if (compareAndSetState(current, next))
return;
}
}
final int drainPermits() {
for (;;) {
int current = getState();
if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
return current;
}
}
}
第9行程式碼可見Semaphore也是通過AQS的state來作為訊號量的計數的
第12行 getPermits() 方法獲取當前的可用的訊號量，即還有多少執行緒可以同時獲得訊號量
第15行 nonfairTryAcquireShared方法嘗試獲取共享鎖，邏輯就是直接將可用訊號量減去該方法請求獲取的數量，更新state並返回該值。
第24行 tryReleaseShared 方法嘗試釋放共享鎖，邏輯就是直接將可用訊號量加上該方法請求釋放的數量，更新state並返回。
再看下Semaphore的公平鎖
/**
* Fair version
*/
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
FairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
}
看嘗試獲取共享鎖的方法中，多了個 if (hasQueuedPredecessors) 的判斷，在java多執行緒6：ReentrantLock，
分析過hasQueuedPredecessors其實就是判斷當前等待佇列中是否存在等待執行緒，並判斷第一個等待的執行緒(head.next)是否是當前執行緒。
CyclicBarrier
CyclicBarrier的字面意思是可迴圈使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，讓一組執行緒到達一個屏障（也可以叫同步點）時被阻塞，
直到最後一個執行緒到達屏障時，屏障才會開門，所有被屏障攔截的執行緒才會繼續執行。
一組執行緒同時被喚醒，讓我們想到了ReentrantLock的Condition，它的signalAll方法可以喚醒await在同一個condition的所有執行緒。
下面我們還是從一個簡單的測試案例先了解下CyclicBarrier的用法
public class CyclicBarrierTest extends Thread {
private CyclicBarrier cb;
private int sleepSecond;
public CyclicBarrierTest(CyclicBarrier cb, int sleepSecond) {
this.cb = cb;
this.sleepSecond = sleepSecond;
}
public void run() {
try {
System.out.println(this.getName() + "開始, 時間為" + System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(sleepSecond * 1000);
cb.await();
System.out.println(this.getName() + "結束, 時間為" + System.currentTimeMillis());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
Runnable runnable = new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("CyclicBarrier的barrierAction開始執行, 時間為" + System.currentTimeMillis());
}
};
CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(2, runnable);
CyclicBarrierTest cbt0 = new CyclicBarrierTest(cb, 3);
CyclicBarrierTest cbt1 = new CyclicBarrierTest(cb, 6);
cbt0.start();
cbt1.start();
}
}
執行結果：
Thread-1開始, 時間為1640069673534 Thread-0開始, 時間為1640069673534 CyclicBarrier的barrierAction開始執行, 時間為1640069679536 Thread-1結束, 時間為1640069679536 Thread-0結束, 時間為1640069679536
可以看到Thread-0和Thread-1同時執行，而自定義的執行緒barrierAction是在6000毫秒後開始執行，說明Thread-0在await之後，等待了3000毫秒，和Thread-1一起繼續執行的。
看下 CyclicBarrier 的一個更高階的建構函式
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.parties = parties;
this.count = parties;
this.barrierCommand = barrierAction;
}
parties就是設定需要多少執行緒在屏障前等待，只有呼叫await方法的執行緒數達到才能喚醒所有的執行緒，還有注意因為使用CyclicBarrier的執行緒都會阻塞在await方法上，
所以線上程池中使用CyclicBarrier時要特別小心，如果執行緒池的執行緒過少，那麼就會發生死鎖。
Runnable barrierAction用於線上程到達屏障時，優先執行barrierAction，方便處理更復雜的業務場景。
/**
* Main barrier code, covering the various policies.
*/
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
final Generation g = generation;
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
if (Thread.interrupted()) {
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
int index = --count;
if (index == 0) { // tripped
boolean ranAction = false;
try {
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null)
command.run();
ranAction = true;
nextGeneration();
return 0;
} finally {
if (!ranAction)
breakBarrier();
}
}
// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
for (;;) {
try {
if (!timed)
trip.await();
else if (nanos > 0L)
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException ie) {
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier();
throw ie;
} else {
// We're about to finish waiting even if we had not
// been interrupted, so this interrupt is deemed to
// "belong" to subsequent execution.
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
if (g != generation)
return index;
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
首先是 ReentrantLock加鎖，全域性的count值-1，然後判斷count是否等於0，如果不等於0，則迴圈，condition執行await等待，直到觸發、中斷、中斷或超時，
如果count值等於0，先執行 barrierAction執行緒，然後condition開始喚醒所有等待的執行緒。
簡單是使用之後，有人會覺得CyclicBarrier和CountDownLatch有點像，其實它們兩者有些細微的差別：
1：CountDownLatch是在多個執行緒都進行了latch.countDown()後才會觸發事件，喚醒await()在latch上的執行緒，而執行countDown()的執行緒，是不會阻塞的；
CyclicBarrier是一個柵欄，用於同步所有呼叫await()方法的執行緒，執行緒執行了await()方法之後並不會執行之後的程式碼，而只有當執行await()方法的執行緒數等於指定的parties之後，這些執行了await()方法的執行緒才會同時執行。
2：CountDownLatch不能迴圈使用，計數器減為0就減為0了，不能被重置；CyclicBarrier本是就是支援迴圈使用parties，而且提供了reset()方法，可以重置計數器。
參考文獻
1：《Java併發程式設計的藝術》