Interviewer: Tell me about the principles of CountDownLatch, CyclicBarrier, and Semaphore?

CountDownLatch

CountDownLatch is suitable for multi-threaded scenarios where you need to wait for all sub-threads to execute before performing operations.

For example, a department meeting in the morning and someone is in the toilet. At this time, you need to wait for everyone to come back from the toilet before the meeting can begin.

public class CountDownLatchTest {
    private static int num = 3;
    private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(num);
    private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(num);
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("A在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(4000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                countDownLatch.countDown();
                System.out.println("A上完了");
            }
        });
        executorService.submit(()->{
            System.out.println("B在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                countDownLatch.countDown();
                System.out.println("B上完了");
            }
        });
        executorService.submit(()->{
            System.out.println("C在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                countDownLatch.countDown(); 
                System.out.println("C is finished"); 
            } 
        }); 

        System.out.println("Waiting for everyone to come back from the toilet for a meeting..."); 
        countDownLatch.await(); 
        System .out.println("Everyone is fine, start the meeting..."); 
        executorService.shutdown(); 

    }}

Code execution result:

A is in the toilet 
B is in the toilet 
waiting for everyone to come back from the toilet for a meeting... C is in the toilet 
B is finished 
C is finished 
A is finished 
everyone is fine, and the meeting starts...

Initialize a CountDownLatch instance and pass parameter 3, because we have 3 child threads, each time the child thread is executed, the countDown() method is called to counter -1. After the main thread calls the await() method, it will be blocked until the counter becomes 0. , The await() method returns and the execution is complete. The difference between him and the join() method is that join will block the child thread until the end of the run, while CountDownLatch can let await() return at any time, and join cannot be used with ExecutorService. In comparison, CountDownLatch is more flexible.

CountDownLatch is implemented based on AQS. The volatile variable state maintains the countdown state, and multithreaded shared variables are visible.

CountDownLatch通过构造函数初始化传入参数实际为AQS的state变量赋值，维持计数器倒数状态
当主线程调用await()方法时，当前线程会被阻塞，当state不为0时进入AQS阻塞队列等待。
其他线程调用countDown()时，state值原子性递减，当state值为0的时候，唤醒所有调用await()方法阻塞的线程

CyclicBarrier

CyclicBarrier叫做回环屏障，它的作用是让一组线程全部达到一个状态之后再全部同时执行，而且他有一个特点就是所有线程执行完毕之后是可以重用的。

public class CyclicBarrierTest {
    private static int num = 3;
    private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(num, () -> {
        System.out.println("所有人都好了，开始开会...");
        System.out.println("-------------------");
    });
    private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(num);
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("A在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(4000);
                System.out.println("A上完了");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("会议结束，A退出");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {

            }
        });
        executorService.submit(()->{
            System.out.println("B在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("B上完了");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("会议结束，B退出");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {

            }
        });
        executorService.submit(()->{
            System.out.println("C在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(3000);
                System.out.println("C上完了");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("会议结束，C退出");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {

            }
        });

        executorService.shutdown();

    }}

输出结果为：

A在上厕所
B在上厕所
C在上厕所
B上完了
C上完了
A上完了
所有人都好了，开始开会...-------------------会议结束，A退出
会议结束，B退出
会议结束，C退出

从结果来看和CountDownLatch非常相似，初始化传入3个线程和一个任务，线程调用await()之后进入阻塞，计数器-1，当计数器为0时，就去执行CyclicBarrier中构造函数的任务，当任务执行完毕后，唤醒所有阻塞中的线程。这验证了CyclicBarrier让一组线程全部达到一个状态之后再全部同时执行的效果。

再举个例子来验证CyclicBarrier可重用的效果。

public class CyclicBarrierTest2 {
    private static int num = 3;
    private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(num, () -> {
        System.out.println("-------------------");
    });
    private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(num);

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("A在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(4000);
                System.out.println("A上完了");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("会议结束，A退出，开始撸代码");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("C工作结束，下班回家");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {

            }
        });
        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("B在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("B上完了");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("会议结束，B退出，开始摸鱼");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("B摸鱼结束，下班回家");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {

            }
        });
        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("C在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(3000);
                System.out.println("C上完了");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("会议结束，C退出，开始摸鱼");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("C摸鱼结束，下班回家");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {

            }
        });

        executorService.shutdown();

    }}

输出结果：

A在上厕所
B在上厕所
C在上厕所
B上完了
C上完了
A上完了-------------------会议结束，A退出，开始撸代码
会议结束，B退出，开始摸鱼
会议结束，C退出，开始摸鱼-------------------C摸鱼结束，下班回家
C工作结束，下班回家
B摸鱼结束，下班回家-------------------

从结果来看，每个子线程调用await()计数器减为0之后才开始继续一起往下执行，会议结束之后一起进入摸鱼状态，最后一天结束一起下班，这就是可重用。

CyclicBarrier还是基于AQS实现的，内部维护parties记录总线程数，count用于计数，最开始count=parties，调用await()之后count原子递减，当count为0之后，再次将parties赋值给count，这就是复用的原理。

当子线程调用await()方法时，获取独占锁，同时对count递减，进入阻塞队列，然后释放锁
当第一个线程被阻塞同时释放锁之后，其他子线程竞争获取锁，操作同1
直到最后count为0，执行CyclicBarrier构造函数中的任务，执行完毕之后子线程继续向下执行

Semaphore

Semaphore叫做信号量，和前面两个不同的是，他的计数器是递增的。

public class SemaphoreTest {
    private static int num = 3;
    private static int initNum = 0;
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(initNum);
    private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(num);
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("A在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(4000);
                semaphore.release();
                System.out.println("A上完了");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {

            }
        });
        executorService.submit(()->{
            System.out.println("B在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(2000);
                semaphore.release();
                System.out.println("B上完了");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {

            }
        });
        executorService.submit(()->{
            System.out.println("C在上厕所");
            try {
                Thread.sleep(3000);
                semaphore.release();
                System.out.println("C上完了");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {

            }
        });

        System.out.println("等待所有人从厕所回来开会...");
        semaphore.acquire(num);
        System.out.println("所有人都好了，开始开会...");

        executorService.shutdown();

    }}

输出结果为：

A在上厕所
B在上厕所
等待所有人从厕所回来开会...C在上厕所
B上完了
C上完了
A上完了
所有人都好了，开始开会...

稍微和前两个有点区别，构造函数传入的初始值为0，当子线程调用release()方法时，计数器递增，主线程acquire()传参为3则说明主线程一直阻塞，直到计数器为3才会返回。

Semaphore还还还是基于AQS实现的，同时获取信号量有公平和非公平两种策略

主线程调用acquire()方法时，用当前信号量值-需要获取的值，如果小于0，则进入同步阻塞队列，大于0则通过CAS设置当前信号量为剩余值，同时返回剩余值
子线程调用release()给当前信号量值计数器+1(增加的值数量由传参决定)，同时不停的尝试因为调用acquire()进入阻塞的线程

总结

CountDownLatch通过计数器提供了比join更灵活的多线程控制方式，CyclicBarrier也可以达到CountDownLatch的效果，而且有可复用的特点，Semaphore则是采用信号量递增的方式，开始的时候并不需要关注需要同步的线程个数，并且提供获取信号的公平和非公平策略。

最后

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