【多线程】CountDownLatch 和 CyclicBarrier：如何让多线程步调一致？

假设现在有一个对账系统，需要优化一下。它的基本业务是用户通过在线商城下单，然后生成电子订单，保存在订单库；之后物流会生成派送单给用户发货，派送单保存在派送单库。为了防止漏派送或重复派送，对账系统每天会校验是否存在异常订单。

目前的对账系统的逻辑处理是先查询订单，然后查询派送单，之后对比订单和派送单，将差异写入差异库。流程如图所示：

对账系统的代码抽象之后的核心代码如下，就是在一个单线程里面循环查询订单、派送单，然后执行对账，最后将差异写入差异库。

while(存在未对账订单){// 查询未对账订单pos = getPOrders();// 查询派送单dos = getDOrders();// 执行对账操作diff = check(pos,dos);// 差异写入差异库save(diff);
}

利用并行优化对账系统

要想优化上面所说的对账系统的性能，首先要找到它的瓶颈所在。

目前的对账系统由于订单量和派送单量很大，所说义查询未对账订单 getPOrders() 和查询派送单 getDOrders() 相对较慢，如何优化下呢？现在它是一个单线程的（如图），优化的话我们首先可以想到 是否可以利用多线程并行处理？

从图中可以看出该系统的瓶颈：查询未对账订单 getPOrders() 和查询派送单 getDOrders() 是否可以平行处理？可以。因为这两个操作没有先后顺序依赖，那么我们让它俩并行执行后，如图所示。可以看出，相比于单线程的执行过程，同等时间里，并行执行的吞吐量几乎是单线程的2倍。

现在，优化思路我们已经想好了，如何用代码实现呢？

我们先创建两个线程 T1 和 T2，并行执行查询未对账订单 getPOrders() 和查询派送单 getDOrders() 这两个操作。在主线程中执行对账操作 check() 和差异写入 save() 两个操作。不过需要注意：主线程需要等待线程 T1 和 T2 执行完才能执行 check() 和 save() 操作，所以我们可以通过调用 T1.join() 和 T2.join() 来实现等待，当 T1 和T2 线程退出时，调用 T1.join() 和 T2.join() 的主线程就会从阻塞态被唤醒，从而执行之后的 check() 和 save() 操作。

while(){// 查询未对账订单Thread T1 = new Thread(() -> {pos = getPOrders();});T1.start();// 查询派送单Thread T2 = new Thread(() ->{dos = getDOrders();});T2.start();// 等待T1,T2结束T1.join();T2.join();// 执行对账操作diff = check(pos,dos);// 差异写入差异库save(diff);
}

用 CountDownLatch 实现线程等待

上面的优化过程中，while循环里每次都会创建新的线程，这也是一个耗时操作，所以还可以继续优化：要是创建的线程可以循环利用就好了。这时可使用线程池来解决它。

康康代码吧。首先创建一个固定大小为2的线程池，之后在 while 循环里重复利用。不过这样看似完美，但是依然有个问题：主线程如何知道 getPOrders() 和 getDOrders() 这两个操作什么时候执行完？前面主线程通过调用 T1 和 T2 的 join() 方法来等待线程 T1 和 T2 退出，但是在线程池的方案里，线程不会退出，所以 join() 方法就失效了。

// 创建2个线程的线程池
Executor executor = Executor.newFixedThreadPool(2);while(存在未对账订单){// 查询未对账订单executor.execute(() -> {pos = getPOrders();});// 查询派送单executor.execute(() -> {dos = getDOrders();});// 如何实现等待？？？// 执行对账操作diff = check(pos,dos);// 差异写入差异库save(diff);
}

如何解决这个问题呢？聪明的你可能已经想到了计数器。没错，弄一个计数器，初始值设置为2，执行完 pos = getPOrders(); 后，计数器减1，执行完 dos = getDOrders(); 后，计数器再减1，在主线程里，等待计数器等于0；当计数器等于0时，说明两个查询操作执行完了。

不过，在Java并发包里已经提供了实现类似功能的工具列：CountDownLatch，我们可以直接使用。所以更建议下面这种方式。

下面的代码示例中，在 while 循环里，首先创建了一个 CountDownLatch，计数器初始值等于2，之后在 pos = getPOrders(); 和dos = getDOrders(); 两条语句后面对计数器执行减1操作，这个减1操作是通过调用 latch.countDown(); 来实现的。在主线程中，通过调用 larch.await() 来实现对计数器等于 0 的等待。

// 创建2个线程的线程池
Executor executor = Executor.newFixedThreadPool(2);while(存在未对账订单){// 计数器初始化为2CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);// 查询未对账订单executor.execute(() -> {pos = getPOrders();latch.countDown();});// 查询派送单executor.execute(() -> {dos = getDOrders();latch.countDown();});// 等待两个查询操作结束latch.await();// 执行对账操作diff = check(pos,dos);// 差异写入差异库save(diff);
}

进一步优化性能

前面我们用 CountDownLatch 实现线程等待，而且 getPOrders() 和 getDOrders() 这两个查询操作并行执行，但是他俩和对账操作 check() 和 save() 之间还是串行的。他们之间能也并行么？也就是再执行队长操作的时候，同时执行下一轮查询操作。我们用形象的方式理解一下：

根据需求我们可以了解到：队长操作依赖于查询操作的结果，就像 生产者-消费者 模式，两次查询操作是生产者，对账操作是消费者。既然是生产者-消费者 模式就需要有个队列，来保存生产者生产的数据，而消费者聪这个队列中取出数据进行消费。

如图是针对这个对账项目设计的队列。两个队列的元素之间有对应关系。订单查询操作将订单查询结果插入订单队列，派送单查询操作将派送但插入派送单队列，这两个队列的元素之间有一一对应的关系。两个队列的好处是，对账操作可以每次聪订单队列出一个元素，聪派送但队列出一个元素，然后对这两个元素执行对账操作，是不是井井有条的？

下面再来看看如何用双队列实现完全的并行。一个线程T1 执行订单查询工作，一个线程T2 执行派送单查询工作，当线程T1 和T2都各自生产完1条数据时，通知线程T3执行对账操作。

下图就描述了上面的过程：线程T1和T2只有都生产完1条数据时，才能一起向下执行，也就是说，线程T1 和线程T2的工作步调要一致，相互等待。同时它们都生产完一条数据，还得能通知线程T3执行对账操作。

用 CyclicBarrier 实现线程同步

上面的过程有两个问题：

线程T1 和T2 如何做到步调一致？
怎样做到能够通知线程T3？

Java并发包里提供了相关的工具类:CyclicBarrier。

下面的代码中先创建了一个计数器初始值为2的 CyclicBarrier，需要注意的是创建 CyclicBarrier 的时候，传入了一个回调函数，当计数器减到0的时候，会调用这个函数。

线程T1负责查询订单，当查出一条时，调用 barrier.await() 来将计数器减1，同时等待计数器变为0；线程T2负责查询派送单，当查出一条时，调用 barrier.await() 将计数器减1，同时等待计数器变为0；当T1 和T2 都调用 barrier.await() 的时候，计数器会减到0，此时T1和T2就可以执行下一条语句了，同时会调用barrier的回调函数来执行对账操作。

CyclicBarrier 的计数器有自动重置功能，当减到0的时候，会自动重置你设置的初始值。

// 订单队列
Vector<P> pos;
// 派送单队列
Vector<D> dos;
// 执行回调的线程池
Executor executor = Executor.newFixedThreadPool(1);
final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarriere(2,()->{executor.execute(()->check());
});void check(){P p = pos.remove(0);D d = dos.remove(0);// 执行对账操作diff = check(p,d);// 差异写入差异库save(diff);
}void checkAll(){// 循环查询订单库Thread T1 = new Thread(()-> {while(存在未对账订单){// 查询订单库pos.add(getPOrders());// 等待barrier.await();}});T1.start();// 循环查询运单库Thread T2 = new Thread(()->{while(存在未对账订单){// 查询运单库dos.add(getDOrders());// 等待barrier.await();}});T2.start();
}

总结

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 是 Java 并发包提供的两个非常易用的线程同步工具类，它们的区别是：CountDownLatch 主要用来解决一个线程等待多个线程的场景，可以类比旅游团团长要等所有游客到齐才能去下一个景点；同时它的计数器不能循环利用，一旦计数器减到0，再有线程调用 await() ，该线程会直接通过。而 CyclicBarrier 是一组线程之间相互等待，CyclicBarrier的计数器是可以循环利用的，而且可以自动重置，同时它还有一个回调函数。