线程基础：JDK1.5+（10）——线程新特性（下）
来源：互联网 发布：android ddms源码 编辑：程序博客网 时间：2024/05/22 05:17
（接上文《线程基础：JDK1.5+（9）——线程新特性（中）》）
3-4、CountDownLatch：同步器
上文中我们主要讲解了JDK1.5+中提供的一个重要工具：Semaphore信号量，并且用这个工具第一次实现了“100米赛跑”的需求。在第一次的实现中，我们还运用了“线程专栏”中已介绍的多个知识点，包括锁、线程池、队列、Callable接口等。
但实际上第一次实现的“100米赛跑”的需求，离我们真正的需求还有一定的距离：在我们第一次实现时，选手是否可以跑步，完全取决于“是否有空闲的赛道”。但是原始需求中特别要求对所有的选手进行分组。特别是初赛时（因为决赛时就只有一组了）：最多5名选手一组，每组选手需要一起进行跑步。
也就是说，选手是否可以跑步，不但取决于是否有空闲的赛道，还取决于当前选手所属组的其他选手的准备情况。只有当跑道有空余，并且该组其它选手也准备完毕，才能一起开始跑步（这样才能称为赛跑嘛）。
在JKD1.5+环境中，Doug Lea和他的团队为我们提供了可以很好实现这个要求的工具类：CountDownLatch和CyclicBarrier。我们首先介绍CountDownLatch的基本使用方式：
3-4-1、CountDownLatch基本使用
CountDownLatch是一个同步计数器，能够保证在其他线程完成某一个业务操作前，当前线程一直处于等待/阻塞状态。具体来说，这个计数器将会从给定的某一个数值count开始，通过countDown()方法的调用进行倒数。当执行某一次countDown()操作后，计数器的count数值等于0，所有调用了await()方法的线程，就解除等待/阻塞状态继续执行。我们来看一段简单的示例代码：
package test.thread.countDownLatch;import java.util.concurrent.CountDownLatch;import org.apache.commons.logging.Log;import org.apache.commons.logging.LogFactory;import org.apache.log4j.BasicConfigurator;public class TestCountDownLatch { /** * 日志 */ private static Log LOGGER = LogFactory.getLog(TestCountDownLatch.class); static { BasicConfigurator.configure(); } public static void main(String[] args) throws Throwable { // 同步计数器从5开始计数 final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5); // 启动子线程，处理“其他”业务 for(int index = 0 ; index < 5 ; index++) { Thread childThread = new Thread() { @Override public void run() { //等待，以便模型业务处理过程消耗的时间 synchronized (this) { try { this.wait(1000); } catch (InterruptedException e) { TestCountDownLatch.LOGGER.error(e.getMessage(), e); } } // 完成业务处理过程，计数器-1 long threadid = Thread.currentThread().getId(); TestCountDownLatch.LOGGER.info("子线程(" + threadid + ")执行完成！"); countDownLatch.countDown(); } }; childThread.start(); } // 等待所有子线程的业务都处理完成（计数器的count为0时） countDownLatch.await(); TestCountDownLatch.LOGGER.info("所有子线程的处理都完了，主线程继续执行..."); }}以下是可能的执行结果（因为每次执行的效果可能有所区别）：
1 [Thread-3] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(12)执行完成！1 [Thread-4] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(13)执行完成！1 [Thread-1] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(10)执行完成！1 [Thread-2] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(11)执行完成！1 [Thread-0] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 子线程(9)执行完成！9 [main] INFO test.thread.countDownLatch.TestCountDownLatch - 所有子线程的处理都完了，主线程继续执行...以上代码片段和执行结果说明了CountDownLatch的最简单使用，CountDownLatch同步计数器从5开始计数，分别对应5个子线程的业务完成情况。每当一个子线程业务完成后，CountDownLatch同步计数器就countDown一次。直到count等于0时，这时主线程上面的await()方法解除等待/阻塞状态，继续执行。这里要注意一下：
不是说只能有一次await方法的调用，而是同一时间可以有多个线程调用了await方法。只要在count还不等于0时，某个线程调用了await方法，它都会进入等待/阻塞状态。
在调用await时，如果CountDownLatch同步计数器的count已经等于0了，则await方法不会进入等待/阻塞状态。
await调用和countDown调用不是说必须处于不同线程。同一线程中，您可以先调用countDown然后再调用await进入等待/阻塞。CountDownLatch同步计数器会始终遵循上两条工作原则。
在使用CountDownLatch同步计数器时，您无需考虑脏数据的问题。CountDownLatch同步计数器是线程安全的。
3-4-2、CountDownLatch在“100米赛跑”中的应用
很明显CountDownLatch在“100米赛跑”中的使用目标是：“等待这组所有的选手全部上跑道”，然后一起开始跑步。所以，CountDownLatch的计数器，需要在选手获得“跑道”资源后，马上countDown一次。之后，获得“跑道”资源的选手要立刻调用await进入等待状态，等待其他选手也获得跑道资源。我们给这整个处理逻辑去一个名字叫做：“发令枪”，代码片段如下：
....../** * 选手所关注的发令枪 */private CountDownLatch startingGun;......public Result call() throws Exception { ...... try { // 申请上跑道（这个没有变化） this.runway.acquire(); // 等待可能的发令枪 if(this.startingGun != null) { // 执行到这里，说明这个选手已经拿到了跑到资源； // 向发令枪表达“我已准备好”，即计数器-1 this.startingGun.countDown(); System.out.println("选手" + name + "[" + number + "]，已登上跑道，等待发令！"); // 接下来进入“等待”状态 // 以便等这个发令枪所管理的所有选手上跑道了，再一起跑步 this.startingGun.await(); System.out.println("选手" + name + "[" + number + "]，跑！"); } // 开始正式跑步 return this.result = this.doRun(); } catch(Exception e) { e.printStackTrace(System.out); } finally { // 都要进入初赛结果排序（中途退赛的成绩就为0） this.runway.release(); System.out.println("选手" + name + "[" + number + "]，比赛正常完成！"); } ......}......那么如何进行分组呢？我们可以让一组选手，关注同一把“发令枪”（有多少把发令枪，就有多少个组、就有多少个CountDownLatch对象）。如下图所示：
另外，分组时一定要考虑一个问题：由于报名人数不一定是5的整数倍，所以最后一组不一定有5个人。考虑到实现的代码片段如下：
......// 这是发令枪CountDownLatch startingGun = null;......// signupPlayers 是报名队列// runwayCount 是跑道数量for (int index = 0 ; index < this.signupPlayers.size() ; index++) { /* * 这是发令枪，发令枪的使用规则是： * 1、最多5位选手听从一把发令枪的命令（因为跑道最多就是5条） * 2、如果剩余的没有比赛的选手不足5人，则这些人听从一把发令枪的命令 * */ if(index % runwayCount == 0) { startingGun = this.signupPlayers.size() - index > runwayCount? new CountDownLatch(runwayCount): new CountDownLatch(this.signupPlayers.size() - index); } // 获取这个选手（signupPlayers是报名队列） Player player = this.signupPlayers.get(index); // 设置选手关注的发令枪 player.setStartingGun(startingGun); // 提交给裁判组协调执行 Future<Result> future = refereeService.submit(player); // 开始一个选手的跑步动作状态监控 new FutureThread(future, player, this.preliminaries).start();}......这样我们就完成了对第一次“100米赛跑”实现代码的优化：增加了选手分组控制功能。以下给出相对完整的代码。注意，由于Result类没有做任何更改，所以就不需要赘述了。
- Player选手类的的更改，主要是加入了“关注的发令枪”的关注
public class Player implements Callable<Result> , Comparable<Player>{ ...... /** * 跑道 */ private Semaphore runway; /** * 选手所关注的发令枪 */ private CountDownLatch startingGun; ...... /** * @param startingGun the startingGun to set */ public void setStartingGun(CountDownLatch startingGun) { this.startingGun = startingGun; } /** * @return the startingGun */ public CountDownLatch getStartingGun() { return startingGun; } ...... /* (non-Javadoc) * @see java.util.concurrent.Callable#call() */ @Override public Result call() throws Exception { this.result = null; try { // 申请上跑道 this.runway.acquire(); // 等待可能的发令枪 if(this.startingGun != null) { // 执行到这里，说明这个选手已经拿到了跑到资源； // 首先向发令枪表达“我已准备好”，即计数器-1 this.startingGun.countDown(); System.out.println("选手" + name + "[" + number + "]，已登上跑道，等待发令枪！"); // 接下来进入“等待”状态 // 以便这个发令枪所管理的所有选手登上跑道了，再一起跑步 this.startingGun.await(); System.out.println("选手" + name + "[" + number + "]，跑！"); } // 开始正式跑步 return this.result = this.doRun(); } catch(Exception e) { e.printStackTrace(System.out); } finally { // 都要进入初赛结果排序（中途退赛的成绩就为0） this.runway.release(); System.out.println("选手" + name + "[" + number + "]，比赛正常完成！"); } // 如果执行到这里，说明异常发生了 this.result = new Result(Float.MAX_VALUE); return this.result; } /** * 开始跑步(跑步的处理过程没有变化) * @return * @throws Exception */ private Result doRun() throws Exception { /* * 为了表现一个选手每一次跑步都有不同的状态（但是都不会低于其最低状态）， * 所以每一次跑步，系统都会为这个选手分配一个即时速度。 * * 这个即时速度不会低于其最小速度，但是也不会高于 14米/秒(否则就是‘超人’咯) * */ // 生成即时速度 float presentSpeed = 0f; presentSpeed = this.minSpeed * (1.0f + new Random().nextFloat()); if(presentSpeed > 14f) { presentSpeed = 14f; } // 计算跑步结果(BigDecimal的使用可自行查阅资料) BigDecimal calculation = new BigDecimal(100).divide(new BigDecimal(presentSpeed) , 3, RoundingMode.HALF_UP); float presentTime = calculation.floatValue(); // 让线程等待presentSpeed的时间，模拟该选手跑步的过程 synchronized (this) { this.wait((long)(presentTime * 1000f)); } // 返回跑步结果 this.result = new Result(presentTime); return result; } ......}- TwoTrack比赛主控制类，主要加入了对“选手分组”的支持
/** * 这是第二个比赛程序。 * @author yinwenjie * */public class TwoTrack { ...... public void track() { /* * 赛跑分为以下几个阶段进行； * * 1、报名 * 2、初赛，11名选手，分成两组，每组最多5名选手。 * 因为场地只有5条赛道，只有拿到进场许可的才能使用赛道，进行比赛 * * 3、决赛：初赛结果将被写入到一个队列中进行排序，只有成绩最好的前五名选手，可以参加决赛。 * * 4、决赛结果的前三名将分别作为冠亚季军被公布出来 * */ //1、================报名 // 这就是跑道，需求上说了只有5条跑道，所以只有5个permits。 Semaphore runway = new Semaphore(5); this.signupPlayers.clear(); for(int index = 0 ; index < TwoTrack.PLAYERNAMES.length ; ) { Player player = new Player(TwoTrack.PLAYERNAMES[index], ++index , runway); this.signupPlayers.add(player); } //2、================进行初赛 // 这是赛道的数量 int runwayCount = 5; // 这是裁判 ExecutorService refereeService = Executors.newFixedThreadPool(5); // 这是发令枪 CountDownLatch startingGun = null; for (int index = 0 ; index < this.signupPlayers.size() ; index++) { /* * 这是发令枪，发令枪的使用规则是： * 1、最多5位选手听从一把发令枪的命令（因为跑道最多就是5条） * 2、如果剩余的没有比赛的选手不足5人，则这些人听从一把发令枪的命令 * */ if(index % runwayCount == 0) { startingGun = this.signupPlayers.size() - index > runwayCount? new CountDownLatch(runwayCount): new CountDownLatch(this.signupPlayers.size() - index); } // 获取这个选手 Player player = this.signupPlayers.get(index); // 设置选手关注的发令枪 player.setStartingGun(startingGun); // 提交给裁判组准备执行 Future<Result> future = refereeService.submit(player); // 开始一个选手的跑步动作状态监控 new FutureThread(future, player, this.preliminaries).start(); } //! 只有当PLAYERNAMES.length位选手的成绩都产生了，才能进入决赛，这很重要 while(this.preliminaries.size() < TwoTrack.PLAYERNAMES.length) { try { synchronized (this.preliminaries) { this.preliminaries.wait(); } } catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(System.out); } } // 3、============决赛(只有初赛结果的前5名可以参见) // 决赛的发令枪 startingGun = new CountDownLatch(5); for(int index = 0 ; index < 5 ; index++) { Player player = this.preliminaries.poll(); // 重新设置选手关注的发令枪 player.setStartingGun(startingGun); // 提交给裁判组准备执行 Future<Result> future = refereeService.submit(player); // 开始一个选手的跑步动作状态监控 new FutureThread(future, player, this.finals).start(); } //! 只有当5位选手的决赛成绩都产生了，才能到下一步：公布成绩 while(this.finals.size() < 5) { try { synchronized (this.finals) { this.finals.wait(); } } catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(System.out); } } // 4、============公布决赛成绩（前三名） for(int index = 0 ; index < 3 ; index++) { Player player = this.finals.poll(); switch (index) { case 0: System.out.println("第一名：" + player.getName() + "[" + player.getNumber() + "]，成绩：" + player.getResult().getTime() + "秒"); break; case 1: System.out.println("第二名：" + player.getName() + "[" + player.getNumber() + "]，成绩：" + player.getResult().getTime() + "秒"); break; case 2: System.out.println("第三名：" + player.getName() + "[" + player.getNumber() + "]，成绩：" + player.getResult().getTime() + "秒"); break; default: break; } } } ...... //其他诸如FutureThread、main函数的代码都没有变化}3-4-3、相似工具类CyclicBarrier
在JDK1.5+中还有一个和CountDownLatch类似的同步计数工具：CyclicBarrier。不同的是CyclicBarrier的计数是循环进行的，而且也不需要向CountDownLatch那样显示的调用countDown进行减一操作。
如何理解CyclicBarrier计数器的循环工作方式呢？我们先来看看一个比较简单的示例代码：
public class TestCyclicBarrier { static { BasicConfigurator.configure(); } /** * 日志 */ private static Log LOGGER = LogFactory.getLog(TestCyclicBarrier.class); public static void main(String[] args) throws Throwable { // 同步计数器的技术周期为3 final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3); // 启动子线程，处理“其他”业务 for(int index = 0 ; index < 5 ; index++) { Thread childThread = new Thread() { @Override public void run() { // 可获得设置的屏障数值 // int parties = cyclicBarrier.getParties(); // 可获取当前已经进入等待状态的任务数量 // int numberWaiting = cyclicBarrier.getNumberWaiting(); TestCyclicBarrier.LOGGER.info("本线程已准备好处理业务......"); try { cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) { TestCyclicBarrier.LOGGER.error(e.getMessage() , e); } TestCyclicBarrier.LOGGER.info("开始处理业务......"); } }; childThread.start(); } }}我们可以用下图表示以上代码的工作过程：
在上图中，CyclicBarrier的parties屏障设置为3，其意义是只要有通过CyclicBarrier的await方法进入阻塞等待的线程数量达到了3，则CyclicBarrier就解除这些线程的阻塞状态让他们可以继续执行。所以可以理解为CyclicBarrier的计数功能是可重复使用的，当等待的线程数量达到了设置的屏障值就放行这些线程。
3-4-4、使用CyclicBarrier改写“比赛”
下面我们将“比赛”中使用CountDownLatch实现的发令枪改写成使用CyclicBarrier来实现。改写发令枪不会使发令枪的工作职责发生任何变化，所以改写量是比较小的。另外由于这个小节中我们已经给出了很多代码了，为了节约篇幅这里只给出最小化的代码片段。
- Player选手类中，关于发令枪的定义要修改：
....../** * 选手所关注的发令枪 */private CyclicBarrier startingGun;/** * @param startingGun the startingGun to set */public void setStartingGun(CyclicBarrier startingGun) { this.startingGun = startingGun;}/** * @return the startingGun */public CyclicBarrier getStartingGun() { return startingGun;}......- Player选手类中的发令枪使用部分需要改写。使用CyclicBarrier后就不需要显示调用countDown()方法了：
......// 申请上跑道this.runway.acquire();// 等待可能的发令枪if(this.startingGun != null) { // 执行到这里，说明这个选手已经拿到了跑到资源； System.out.println("选手" + name + "[" + number + "]，已登上跑道，等待发令枪！"); // 接下来进入“等待”状态 // 以便这个发令枪所管理的所有选手登上跑道了，再一起跑步 this.startingGun.await(); System.out.println("选手" + name + "[" + number + "]，跑！");}// 开始正式跑步return this.result = this.doRun();......- TwoTrack主操作类中，关于发令枪的定义要进行变更：从CountDownLatch变成CyclicBarrier：
......// 这是发令枪CyclicBarrier startingGun = null;......- TwoTrack主操作类中，根据条件决定CyclicBarrier中parties屏障值的代码业务要进行调整。从之前确定CountDownLatch计数初值变化而来：
......if(index % runwayCount == 0) { startingGun = this.signupPlayers.size() - index > runwayCount? new CyclicBarrier(runwayCount): new CyclicBarrier(this.signupPlayers.size() - index);}......这里我们就不再赘述代码的工作效果了，因为工作效果不会有任何变化。
4、后续内容
下一篇文章开始，我们开始讲解线程间通讯。
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- 线程基础：JDK1.5+（10）——线程新特性（下）
- 线程基础：JDK1.5+（8）——线程新特性（上）
- 线程基础：JDK1.5+（9）——线程新特性（中）
- java基础——泛型（jdk1.5新特性）
- 黑马程序员——多个生产者，多个消费者 signalAll() JDK1.5线程新特性
- 黑马程序员----多线程3（线程间通信、JDK1.5新特性、线程类的其他方法）
- 黑马程序员——java基础日记——多线程(2)——线程间通信与JDK1.5新特性
- 黑马程序员-JDK1.5新特性之多线程并发库
- Java--jdk1.5新特性线程池用法
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