Thread.join(), CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore区别,联系及应用

在java 1.5中，提供了一些非常有用的辅助类来帮助我们进行并发编程，比如CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore，今天我们就来学习一下这三个辅助类的用法，　由于Thread.join()也和这三个类有类似用法，我也一起拿来进行比较。

1. Join:

等待当前线程执行完再接着执行主线程

注意：一定是先Thread.start()再Thread.join()，不然join不生效。而且join最好紧跟在start后面（下面有个例子说明为什么要这样）

2. CountDownLatch :

A synchronization aid that allows one or more threads to wait until a set of operations being performed in other threads completes.

允许一个线程等待其他线程完成了事情后才执行。常用于等待事件结束

3. CyclicBarrier :

A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point.

允许一组线程互相等待，等待至指定的屏障点，一起运行。常用于等待线程

4. Semaphore：

A counting semaphore. Conceptually, a semaphore maintains a set of permits.

是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源

一、Join

join用于让当前执行线程等待join线程执行结束。其实现原理就是不停检查join线程是否存活，如果join线程存活则当前线程永远等待；

public class JoinTest {/*** 场景：需要解析一个Excel中多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，* 每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序* 需要提示解析完成。在这个需求中要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，* 以下是用join方法来处理* @param args*/public static void main(String[] args) throws Exception{Thread p1 = new Thread(new Runnable() {public void run() {System.out.println("Read Excel Sheet One Data");}});Thread p2 = new Thread(new Runnable() {public void run() {System.out.println("Read Excel Sheet Two Data");}});p1.start();p2.start();p1.join();p2.join();System.out.println("Excel sheet read over!!!");executProcessByOrder();}/*** 场景：现在有T1、T2、T3三个线程，你怎样保证T2在T1执行完后执行，T3在T2执行完后执行*/public static void executProcessByOrder() throws Exception{Thread p1 = new Thread(new Runnable() {public void run() {System.out.println("p1 execut");}});Thread p2 = new Thread(new Runnable() {public void run() {System.out.println("p2 execut");}});Thread p3 = new Thread(new Runnable() {public void run() {System.out.println("p3 execut");}});p1.start();p1.join();p2.start();p2.join();p3.start();p3.join();}
}

　　运行结果如下：

Read Excel Sheet Two Data
Read Excel Sheet One Data
Excel sheet read over!!!p1 execut
p2 execut
p3 execut

　　为了更好理解源码如下：

   /*** Waits for this thread to die.** <p> An invocation of this method behaves in exactly the same* way as the invocation** <blockquote>* {@linkplain #join(long) join}{@code (0)}* </blockquote>** @throws  InterruptedException*          if any thread has interrupted the current thread. The*          <i>interrupted status</i> of the current thread is*          cleared when this exception is thrown.*/public final void join() throws InterruptedException {join(0);}/*** Waits at most {@code millis} milliseconds for this thread to* die. A timeout of {@code 0} means to wait forever.** <p> This implementation uses a loop of {@code this.wait} calls* conditioned on {@code this.isAlive}. As a thread terminates the* {@code this.notifyAll} method is invoked. It is recommended that* applications not use {@code wait}, {@code notify}, or* {@code notifyAll} on {@code Thread} instances.** @param  millis*         the time to wait in milliseconds** @throws  IllegalArgumentException*          if the value of {@code millis} is negative** @throws  InterruptedException*          if any thread has interrupted the current thread. The*          <i>interrupted status</i> of the current thread is*          cleared when this exception is thrown.*/public final synchronized void join(long millis)throws InterruptedException {long base = System.currentTimeMillis();long now = 0;if (millis < 0) {throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");}if (millis == 0) {while (isAlive()) {wait(0);}} else {while (isAlive()) {long delay = millis - now;if (delay <= 0) {break;}wait(delay);now = System.currentTimeMillis() - base;}}}

　　直到Join线程终止后，线程的this.notifyAll()方法会被调用，调用notifyAll()方法是在JVM里实现的，所以在JDK里看不到，可以查看JVM源码。

注意：一定是先Thread.start()再Thread.join()，不然join不生效。而且join最好紧跟在start后面（下面有个例子说明为什么要这样）

public class JoinTest extends Thread {int i;public JoinTest(int i) {this.i = i;}@Overridepublic void run() {System.out.println("num:" + i);}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {JoinTest joinDemo1 = new JoinTest(1);JoinTest joinDemo2 = new JoinTest(2);joinDemo2.start();System.out.println("1111");joinDemo1.start();System.out.println("2222");joinDemo1.join();System.out.println("3333");joinDemo2.join();System.out.println("4444");}
}

按照join方法的定义，认为是先输出：3333再输出num 2，其实运行其中的一个结果是：

1111
num:2
2222
num:1
3333
4444

这个结果与我们猜想的结果是有出入的，原因就是start与join的中间做了打印操作，并没有达到我们想要的结果，正确的写法如下：

public class JoinTest extends Thread {int i;public JoinTest(int i) {this.i = i;}@Overridepublic void run() {System.out.println("num:" + i);}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {JoinTest joinDemo1 = new JoinTest(1);JoinTest joinDemo2 = new JoinTest(2);joinDemo2.start();joinDemo2.join();System.out.println("1111");joinDemo1.start();joinDemo1.join();System.out.println("2222");}
}

输出结果如下：

num:2
1111
num:1
2222

一.CountDownLatch用法

CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

CountDownLatch类只提供了一个构造器：

public CountDownLatch(int count) {  };  //参数count为计数值

然后下面这3个方法是CountDownLatch类中最重要的方法：

public void await() throws InterruptedException { };   //调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //和await()类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
public void countDown() { };  //将count值减1

下面看一个例子大家就清楚CountDownLatch的用法了：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class CountDownLatchTest {static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);/*** 场景：需要解析一个Excel中多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，* 每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序* 需要提示解析完成。在这个需求中要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，* 以下是用CountDownLatch方法来处理* @param args*/public static void main(String[] args) throws Exception{Thread p1 = new Thread(new Runnable() {public void run() {System.out.println("Read Excel Sheet One Data");countDownLatch.countDown();}});Thread p2 = new Thread(new Runnable() {public void run() {System.out.println("Read Excel Sheet Two Data");countDownLatch.countDown();}});p1.start();p2.start();countDownLatch.await();System.out.println("Excel sheet read over!!!");}
}

　　运行结果如下：

Read Excel Sheet One Data
Read Excel Sheet Two Data
Excel sheet read over!!!

　　CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器，如果你想等待N个点完成，这里就传入N。当调用CountDownLatch的countDown()方法时，N就会减1，CountDownLatch的await()方法会阻塞当前线程，直到N变为0。计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是0，调用await方法时不会阻塞当前线程。

/*** Decrements the count of the latch, releasing all waiting threads if* the count reaches zero.** <p>If the current count is greater than zero then it is decremented.* If the new count is zero then all waiting threads are re-enabled for* thread scheduling purposes.** <p>If the current count equals zero then nothing happens.*/public void countDown() {sync.releaseShared(1);}/*** Releases in shared mode.  Implemented by unblocking one or more* threads if {@link #tryReleaseShared} returns true.** @param arg the release argument.  This value is conveyed to*        {@link #tryReleaseShared} but is otherwise uninterpreted*        and can represent anything you like.* @return the value returned from {@link #tryReleaseShared}*/public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();return true;}return false;}/*** Causes the current thread to wait until the latch has counted down to* zero, unless the thread is {@linkplain Thread#interrupt interrupted}.** <p>If the current count is zero then this method returns immediately.** <p>If the current count is greater than zero then the current* thread becomes disabled for thread scheduling purposes and lies* dormant until one of two things happen:* <ul>* <li>The count reaches zero due to invocations of the* {@link #countDown} method; or* <li>Some other thread {@linkplain Thread#interrupt interrupts}* the current thread.* </ul>** <p>If the current thread:* <ul>* <li>has its interrupted status set on entry to this method; or* <li>is {@linkplain Thread#interrupt interrupted} while waiting,* </ul>* then {@link InterruptedException} is thrown and the current thread's* interrupted status is cleared.** @throws InterruptedException if the current thread is interrupted*         while waiting*/public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);}

　　总结：调用join方法需要等待thread执行完毕才能继续向下执行,而CountDownLatch只需要检查计数器的值为零就可以继续向下执行，相比之下，CountDownLatch更加灵活一些，可以实现一些更加复杂的业务场景。

二.CyclicBarrier用法

字面意思回环栅栏，通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用。我们暂且把这个状态就叫做barrier，当调用await()方法之后，线程就处于barrier了。

CyclicBarrier类位于java.util.concurrent包下，CyclicBarrier提供2个构造器：

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
}public CyclicBarrier(int parties) {
}

参数parties指让多少个线程或者任务等待至barrier状态；参数barrierAction为当这些线程都达到barrier状态时会执行的内容。

然后CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法，它有2个重载版本：

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };
public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { };

第一个版本比较常用，用来挂起当前线程，直至所有线程都到达barrier状态再同时执行后续任务；

第二个版本是让这些线程等待至一定的时间，如果还有线程没有到达barrier状态就直接让到达barrier的线程执行后续任务。

下面举几个例子就明白了：

假若有若干个线程都要进行写数据操作，并且只有所有线程都完成写数据操作之后，这些线程才能继续做后面的事情，此时就可以利用CyclicBarrier了：

public class Test {public static void main(String[] args) {int N = 4;CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);for(int i=0;i<N;i++)new Writer(barrier).start();}static class Writer extends Thread{private CyclicBarrier cyclicBarrier;public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;}@Overridepublic void run() {System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");try {Thread.sleep(5000);      //以睡眠来模拟写入数据操作System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");cyclicBarrier.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}catch(BrokenBarrierException e){e.printStackTrace();}System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");}}
}

执行结果：

线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

从上面输出结果可以看出，每个写入线程执行完写数据操作之后，就在等待其他线程写入操作完毕。

当所有线程线程写入操作完毕之后，所有线程就继续进行后续的操作了。

如果说想在所有线程写入操作完之后，进行额外的其他操作可以为CyclicBarrier提供Runnable参数：

public class Test {

public static void main(String[] args) {

int N = 4;

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N,new Runnable() {

@Override

public void run() {

System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName());

}

});

for(int i=0;i<N;i++)

new Writer(barrier).start();

}

static class Writer extends Thread{

private CyclicBarrier cyclicBarrier;

public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {

this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;

}

@Override

public void run() {

System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");

try {

Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作

System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");

cyclicBarrier.await();

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}catch(BrokenBarrierException e){

e.printStackTrace();

}

System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");

}

运行结果：

线程Thread-0正在写入数据...

线程Thread-1正在写入数据...

线程Thread-2正在写入数据...

线程Thread-3正在写入数据...

线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

当前线程Thread-3

所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

从结果可以看出，当四个线程都到达barrier状态后，会从四个线程中选择一个线程去执行Runnable。

下面看一下为await指定时间的效果：

public class Test {

public static void main(String[] args) {

int N = 4;

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N);

for(int i=0;i<N;i++) {

if(i<N-1)

new Writer(barrier).start();

else {

try {

Thread.sleep(5000);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

new Writer(barrier).start();

}

static class Writer extends Thread{

private CyclicBarrier cyclicBarrier;

public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {

this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;

}

@Override

public void run() {

System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");

try {

Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作

System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");

try {

cyclicBarrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);

} catch (TimeoutException e) {

// TODO Auto-generated catch block

e.printStackTrace();

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}catch(BrokenBarrierException e){

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");

}

执行结果：

线程Thread-0正在写入数据...

线程Thread-2正在写入数据...

线程Thread-1正在写入数据...

线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-3正在写入数据...

java.util.concurrent.TimeoutException

Thread-1所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

Thread-0所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)

at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)

at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)

java.util.concurrent.BrokenBarrierException

at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)

at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)

at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)

java.util.concurrent.BrokenBarrierException

at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)

at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)

at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)

Thread-2所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

java.util.concurrent.BrokenBarrierException

线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(Unknown Source)

at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(Unknown Source)

at com.cxh.test1.Test$Writer.run(Test.java:58)

Thread-3所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

上面的代码在main方法的for循环中，故意让最后一个线程启动延迟，因为在前面三个线程都达到barrier之后，等待了指定的时间发现第四个线程还没有达到barrier，就抛出异常并继续执行后面的任务。

另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面这个例子：

public class Test {

public static void main(String[] args) {

int N = 4;

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N);

for(int i=0;i<N;i++) {

new Writer(barrier).start();

}

try {

Thread.sleep(25000);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println("CyclicBarrier重用");

for(int i=0;i<N;i++) {

new Writer(barrier).start();

}

static class Writer extends Thread{

private CyclicBarrier cyclicBarrier;

public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {

this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;

}

@Override

public void run() {

System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");

try {

Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟写入数据操作

System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");

cyclicBarrier.await();

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}catch(BrokenBarrierException e){

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");

}

执行结果：

线程Thread-0正在写入数据...

线程Thread-1正在写入数据...

线程Thread-3正在写入数据...

线程Thread-2正在写入数据...

线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

Thread-0所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

Thread-3所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

Thread-1所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

Thread-2所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

CyclicBarrier重用

线程Thread-4正在写入数据...

线程Thread-5正在写入数据...

线程Thread-6正在写入数据...

线程Thread-7正在写入数据...

线程Thread-7写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-5写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-6写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

线程Thread-4写入数据完毕，等待其他线程写入完毕

Thread-4所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

Thread-5所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

Thread-6所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

Thread-7所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

从执行结果可以看出，在初次的4个线程越过barrier状态后，又可以用来进行新一轮的使用。而CountDownLatch无法进行重复使用。

三.Semaphore用法

Semaphore翻译成字面意思为信号量，Semaphore可以控同时访问的线程个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。

Semaphore类位于java.util.concurrent包下，它提供了2个构造器：

public Semaphore(int permits) { //参数permits表示许可数目，即同时可以允许多少线程进行访问

sync = new NonfairSync(permits);

}

public Semaphore(int permits, boolean fair) { //这个多了一个参数fair表示是否是公平的，即等待时间越久的越先获取许可

sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);

}

下面说一下Semaphore类中比较重要的几个方法，首先是acquire()、release()方法：

public void acquire() throws InterruptedException { } //获取一个许可

public void acquire(int permits) throws InterruptedException { } //获取permits个许可

public void release() { } //释放一个许可

public void release(int permits) { } //释放permits个许可

acquire()用来获取一个许可，若无许可能够获得，则会一直等待，直到获得许可。

release()用来释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。

这4个方法都会被阻塞，如果想立即得到执行结果，可以使用下面几个方法：

public boolean tryAcquire() { }; //尝试获取一个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false

public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //尝试获取一个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false

public boolean tryAcquire(int permits) { }; //尝试获取permits个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false

public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //尝试获取permits个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false

另外还可以通过availablePermits()方法得到可用的许可数目。

下面通过一个例子来看一下Semaphore的具体使用：

假若一个工厂有5台机器，但是有8个工人，一台机器同时只能被一个工人使用，只有使用完了，其他工人才能继续使用。那么我们就可以通过Semaphore来实现：

public class Test {

public static void main(String[] args) {

int N = 8; //工人数

Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目

for(int i=0;i<N;i++)

new Worker(i,semaphore).start();

}

static class Worker extends Thread{

private int num;

private Semaphore semaphore;

public Worker(int num,Semaphore semaphore){

this.num = num;

this.semaphore = semaphore;

}

@Override

public void run() {

try {

semaphore.acquire();

System.out.println("工人"+this.num+"占用一个机器在生产...");

Thread.sleep(2000);

System.out.println("工人"+this.num+"释放出机器");

semaphore.release();

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

执行结果：

工人0占用一个机器在生产...

工人1占用一个机器在生产...

工人2占用一个机器在生产...

工人4占用一个机器在生产...

工人5占用一个机器在生产...

工人0释放出机器

工人2释放出机器

工人3占用一个机器在生产...

工人7占用一个机器在生产...

工人4释放出机器

工人5释放出机器

工人1释放出机器

工人6占用一个机器在生产...

工人3释放出机器

工人7释放出机器

工人6释放出机器

下面对上面说的三个辅助类进行一个总结：

1）CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同：

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；

另外，CountDownLatch是不能够重用的，而CyclicBarrier是可以重用的。

2）Semaphore其实和锁有点类似，它一般用于控制对某组资源的访问权限。

参考资料：

http://www.itzhai.com/the-introduction-and-use-of-a-countdownlatch.html

http://leaver.me/archives/3220.html

http://developer.51cto.com/art/201403/432095.htm

http://blog.csdn.net/yanhandle/article/details/9016329

http://blog.csdn.net/cutesource/article/details/5780740

http://www.cnblogs.com/whgw/archive/2011/09/29/2195555.html

转载于:https://www.cnblogs.com/barrywxx/p/8431942.html