Java并发编程【线程中通信 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 介绍和用法】

CountDownLatch

什么是CountDownLatch

一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。

用给定的计数初始化 CountDownLatch。由于调用了 countDown() 方法，所以在当前计数到达零之前，await 方法会一直受阻塞。之后，会释放所有等待的线程，await 的所有后续调用都将立即返回。这种现象只出现一次——计数无法被重置。如果需要重置计数，请考虑使用 CyclicBarrier。

CountDownLatch 是一个通用同步工具，它有很多用途。将计数 1 初始化的 CountDownLatch 用作一个简单的开/关锁存器，或入口：在通过调用 countDown() 的线程打开入口前，所有调用 await 的线程都一直在入口处等待。用 N 初始化的 CountDownLatch 可以使一个线程在 N 个线程完成某项操作之前一直等待，或者使其在某项操作完成 N 次之前一直等待。

CountDownLatch 的一个有用特性是，它不要求调用 countDown 方法的线程等到计数到达零时才继续，而在所有线程都能通过之前，它只是阻止任何线程继续通过一个 await。

CountDownLatch方法解析

void await() 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断。
boolean await(long timeout, TimeUnit unit) 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。
void countDown() 递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。
long getCount() 返回当前计数。
String toString() 返回标识此锁存器及其状态的字符串。

CountDownLatch的用法

这里模拟多线程处理多任务后通知主线程。
举个例子

/**
 * class_name: Demo
 * package: com.jacky.thread.test14
 * describe: 利用countdownlatch来实现多线程任务通知
 * creat_user: Jacky
 * creat_date: 2019/1/22
 * creat_time: 下午2:27
 **/
public class Demo {


    public static void main(String[] args) {

        //假设有3个线程处理任务
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Random random = new Random();
                        int second = random.nextInt(10) ;
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 我正在处理需要时间为" + second + "秒");
                        //模拟业务处理时间
                        Thread.sleep(second * 1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //通知
                    countDownLatch.countDown();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 处理完成了,还剩任务数:" + countDownLatch.getCount());
                }
            }).start();
        }


        try {
            //主线程在等待线程完成
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("全部完成了");

    }
}

CyclicBarrier

什么是CyclicBarrier

一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中，这些线程必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环的 barrier。

CyclicBarrier 支持一个可选的 Runnable 命令，在一组线程中的最后一个线程到达之后（但在释放所有线程之前），该命令只在每个屏障点运行一次。若在继续所有参与线程之前更新共享状态，此屏障操作很有用。

CyclicBarrier的方法

CyclicBarrier(int parties) 创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，但它不会在启动 barrier 时执行预定义的操作。
CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) 创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，并在启动 barrier 时执行给定的屏障操作，该操作由最后一个进入 barrier 的线程执行。
int await() 在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前，将一直等待。
int await(long timeout, TimeUnit unit) 在所有参与者都已经在此屏障上调用 await 方法之前将一直等待,或者超出了指定的等待时间。
int getNumberWaiting() 返回当前在屏障处等待的参与者数目。
int getParties() 返回要求启动此 barrier 的参与者数目。
boolean isBroken() 查询此屏障是否处于损坏状态。
void reset() 将屏障重置为其初始状态。

栗子：模拟游戏开局
举个例子

/**
 * class_name: CyclicBarrierDemo
 * package: com.jacky.thread.test14
 * describe: 模拟王者荣耀等待人数开局
 * creat_user: Jacky
 * creat_date: 2019/1/22
 * creat_time: 下午1:14
 **/
public class CyclicBarrierDemo {

    Random random = new Random();

    public void ready(CyclicBarrier cyclicBarrier ){
        int waitTime = random.nextInt(10);
        try {
            Thread.sleep(waitTime * 1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 我选好英雄了，准备好了....");
            cyclicBarrier.await();
//        cyclicBarrier.await(10, TimeUnit.SECONDS);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 开始战斗....");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    public static void main(String[] args) {

        CyclicBarrierDemo d = new CyclicBarrierDemo();
        //等待游戏人数
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("正在加载游戏 .....");
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("旁白： 欢迎来到王者荣耀....!");
            }
        });

        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    d.ready(cyclicBarrier);
                }
            }).start();
        }

    }

}

Semaphore

Semaphore是什么

一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。

Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目

Semaphore的方法

Semaphore(int permits) 创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。
Semaphore(int permits, boolean fair) 创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。
void acquire() 从此信号量获取一个许可，在提供一个许可前一直将线程阻塞，否则线程被中断。
void acquire(int permits) 从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞，或者线程已被中断。
void acquireUninterruptibly() 从此信号量中获取许可，在有可用的许可前将其阻塞。
void acquireUninterruptibly(int permits) 从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞。
int availablePermits() 返回此信号量中当前可用的许可数。
int drainPermits() 获取并返回立即可用的所有许可。
protected Collection
getQueuedThreads() 返回一个 collection，包含可能等待获取的线程。
int getQueueLength() 返回正在等待获取的线程的估计数目。
boolean hasQueuedThreads() 查询是否有线程正在等待获取。
boolean isFair() 如果此信号量的公平设置为 true，则返回 true。
protected void reducePermits(int reduction) 根据指定的缩减量减小可用许可的数目。
void release() 释放一个许可，将其返回给信号量。
void release(int permits) 释放给定数目的许可，将其返回到信号量。
String toString() 返回标识此信号量的字符串，以及信号量的状态。
boolean tryAcquire() 仅在调用时此信号量存在一个可用许可，才从信号量获取许可。
boolean tryAcquire(int permits) 仅在调用时此信号量中有给定数目的许可时，才从此信号量中获取这些许可。
boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) 如果在给定的等待时间内此信号量有可用的所有许可，并且当前线程未被中断，则从此信号量获取给定数目的许可。
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 如果在给定的等待时间内，此信号量有可用的许可并且当前线程未被中断，则从此信号量获取一个许可。

这个Semaphore也没有这么难理解。让我们来模拟一下我们在等地铁过安检的场景，即使后面有无数的人在排队，但是安检的时候也只能一个个过去吧。

举个例子

/**
 * class_name: SemaphoreDemo
 * package: com.jacky.thread.test14
 * describe: 模拟只能同时固定数目的人过安检
 * creat_user: Jacky
 * creat_date: 2019/1/22
 * creat_time: 下午1:40
 **/
public class SemaphoreDemo {

    Random random = new Random();

    public void securityCheck(Semaphore semaphore){

        try {

            semaphore.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 正在过安检.....");
            int waitTime = random.nextInt(5);
            Thread.sleep(waitTime* 1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 完成安检!");
            semaphore.release();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    public static void main(String[] args) {


        //这里的安检只能同时容纳一个人
        Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
        SemaphoreDemo semaphoreDemo = new SemaphoreDemo();
        //假设此时这个地铁站有100个人(我硬件不行，你可以模拟无数的人)
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 正在排队.....");
                    semaphoreDemo.securityCheck(semaphore);
                }
            }).start();
        }

    }
}