java-CyclicBarrier、CountDownLatch、Semaphore 的用法以及 volatile 关键字的作用-编程知识

CyclicBarrier、CountDownLatch、Semaphore 的用法

1. CountDownLatch（线程计数器）

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。

final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
new Thread(){public void run() {
System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
Thread.sleep(3000);
System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕");
latch.countDown();
};}.start();
new Thread(){ public void run() {
System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
Thread.sleep(3000);
System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕");
latch.countDown();
};}.start();
System.out.println("等待 2 个子线程执行完毕...");
latch.await();
System.out.println("2 个子线程已经执行完毕");
System.out.println("继续执行主线程");
}

2. CyclicBarrier（回环栅栏-等待至 barrier 状态再全部同时执行）

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 中最重要的方法就是 await 方法，它有 2 个重载版本：

public int await()：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；
public int await(long timeout, TimeUnit unit)：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。

具体使用如下，另外 CyclicBarrier 是可以重用的。

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;
}
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟线程需要预定写入数据操作
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，比如数据操作");
}
}

Semaphore（信号量-控制同时访问的线程个数）

Semaphore 翻译成字面意思为信号量，Semaphore 可以控制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 类中比较重要的几个方法：

public void 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。
public void acquire(int permits):获取 permits 个许可
public void release() { } :释放许可。注意，在释放许可之前，必须先获获得许可。
public void release(int permits) { }:释放 permits 个许可

上面 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):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): 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
还可以通过 availablePermits()方法得到可用的许可数目。

例子：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：

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();
}
}

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。
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。

volatile 关键字的作用（变量可见性、禁止重排序）

Java 语言提供了一种稍弱的同步机制，即 volatile 变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。volatile 变量具备两种特性，volatile 变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取 volatile 类型的变量时总会返回最新写入的值。

变量可见性

其一是保证该变量对所有线程可见，这里的可见性指的是当一个线程修改了变量的值，那么新的值对于其他线程是可以立即获取的。

禁止重排序

volatile 禁止了指令重排。比 sychronized更轻量级的同步锁
在访问 volatile 变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此 volatile 变量是一种比 sychronized 关键字更轻量级的同步机制。volatile 适合这种场景：一个变量被多个线程共享，线程直接给这个变量赋值。
当对非 volatile 变量进行读写的时候，每个线程先从内存拷贝变量到 CPU 缓存中。如果计算机有多个 CPU，每个线程可能在不同的 CPU 上被处理，这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPUcache 中。而声明变量是 volatile 的，JVM 保证了每次读变量都从内存中读，跳过 CPU cache这一步。

适用场景

值得说明的是对 volatile 变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如 long 和 double 类型变量，但是并不能保证 i++这种操作的原子性，因为本质上 i++是读、写两次操作。在某些场景下可以代替 Synchronized。但是,volatile 的不能完全取代 Synchronized 的位置，只有在一些特殊的场景下，才能适用 volatile。总的来说，必须同时满足下面两个条件才能保证在并发环境的线程安全：
1. 对变量的写操作不依赖于当前值（比如 i++），或者说是单纯的变量赋值（boolean
  flag = true）。
2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中，也就是说，不同的 volatile 变量之间，不
  能互相依赖。只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile。