JUC工具类_CyclicBarrier与CountDownLatch

最近被问到CyclicBarrier和CountDownLatch相关的面试题，CountDownLatch平时工作中经常用到，但是CyclicBarrier没有用过，一时答不上来，因此简单总结记录一下

1.什么是CyclicBarrier？

1.1 概念

CyclicBarrier（循环屏障）是Java中的一个同步辅助类，它允许一组线程相互等待，直到达到某个公共屏障点。它的工作方式是，在所有参与线程都到达屏障之前，它们会一直等待。一旦最后一个线程到达屏障，所有被屏障等待的线程将被释放，可以继续执行后续的任务。

1.2 原理

CyclicBarrier内部维护了一个计数器，用于追踪到达屏障点的线程数量。当线程调用了CyclicBarrier的await()方法时，它会被阻塞，直到达到指定的等待数量。当最后一个线程调用await()方法时，屏障将打开，所有被阻塞的线程都会被释放，并且屏障会被重置以便下一次使用。

下面来看一下CyclicBarrier 主要属性

// ReentrantLock 重入锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 条件锁，等达到一定数量了再唤醒
private final Condition trip = lock.newCondition();
// 需要等待的线程数量
private final int parties;
// 当唤醒的时候执行的命令
private final Runnable barrierCommand;
// 代
private Generation generation = new Generation();
// 当前这一代还需要等待的线程数
private int count;

CyclicBarrier 存在如下构造方法，parties表示需要等待的线程数

CyclicBarrier 中await()方法表示等待线程，await()方法的实现逻辑来自dowait()方法

好比如CyclicBarrier内部维护了一个计数器

1.3 使用案例

CyclicBarrier可以用于解决需要多个线程协同工作的场景，例如将一个任务分成多个子任务并行执行，然后等待所有子任务完成后再继续执行后续操作。它也可以用于模拟多个线程相互等待的场景，直到所有线程都准备就绪，然后一起开始执行。

/**
 * <p>Class: TaskParallelExecution</p>
 * <p>Description: 使用CyclicBarrier演示多任务同时执行</p>
 *
 * @author zhouyi
 * @version 1.0
 * @date 2023/11/18
 */
public class TaskParallelExecution {
    private static final int NUM_THREADS = 4;

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS, () -> {
            System.out.println("All tasks completed. Proceeding to next step.");
        });

        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            int threadNum = i;
            Thread t = new Thread(() -> {
                System.out.println("Task " + threadNum + " started.");
                // 模拟任务的执行
                try {
                    Thread.sleep(2000); // 假设任务需要2秒完成
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Task " + threadNum + " completed.");
                try {
                    barrier.await(); // 等待其他线程完成任务
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Task " + threadNum + " continues with the next step.");
            });
            t.start();
        }
    }
}

在实际开发中，常见的还有如下几个业务场景，比如：

• 数据处理并行化：在大规模数据处理中，可以将数据分成多个部分，每个部分由一个线程处理。使用CyclicBarrier，每个线程在处理完自己的数据后等待其他线程完成，然后进行下一步的数据合并或汇总操作。
• 并行计算任务：在并行计算中，可以将一个大任务分解成多个子任务，并行处理。每个子任务处理一部分数据，然后等待其他子任务完成，最后合并结果。CyclicBarrier可用于同步各个子任务的执行。
• 多线程任务协同：在某些场景下，多个线程需要协同工作，例如多个线程同时从不同的地方获取数据，然后合并处理这些数据。CyclicBarrier可用于等待所有线程都准备就绪后，再同时开始数据获取和处理的过程。

这些是一些使用CyclicBarrier的实际生产中的常见案例。CyclicBarrier提供了一种方便的同步机制，使多个线程能够协同工作，等待彼此达到一个共同的屏障点，然后再继续执行后续操作。

2.什么是CountDownLatch？

2.1 概念

CountDownLatch是Java中的一个同步辅助类，它允许一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。它的工作方式与CyclicBarrier相反：它通过一个计数器来实现等待，计数器初始化为一个正整数，每个线程完成操作后会将计数器减1，直到计数器变为0，等待的线程才会被释放。

2.2 原理

CountDownLatch包含两个主要方法：

• countDown()：每当一个线程完成了所需的操作，调用该方法将计数器减1。
• await()：调用该方法的线程会阻塞，直到计数器变为0，即所有线程都完成了操作。

CountDownLatch通常用于一个线程等待其他若干个线程完成某个操作后再继续执行。例如，主线程希望等待多个子线程完成初始化操作后再开始执行某个任务，可以使用CountDownLatch来实现。

2.3 使用案例

使用CountDownLatch实现倒计时功能，例如模拟三个线程，当三个线程都一起执行结束后再统一交给主线程处理。

public class CountDownLatchExample {
    private static final int NUM_THREADS = 3;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(NUM_THREADS);

        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                // 模拟每个线程的操作
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " started.");
                try {
                    Thread.sleep(2000); // 假设每个线程需要2秒完成操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " completed.");
                latch.countDown(); // 操作完成后将计数器减1
            });
            t.start();
        }

        System.out.println("Main thread is waiting for other threads to complete.");
        latch.await(); // 主线程等待计数器变为0
        System.out.println("All threads have completed. Proceeding with the main thread.");
    }
}

以上案例执行结果如下

除了以上案例外，实际开发中经常遇到类似的场景，例如采用多线程处理大数据量导入，我们可以通过多线程分批读取数据、校验、封装数据，当以上几个环节都成功后(CountDownLatch 减少为0时)就可以进行写库操作，可以认为没有数据缺失。

3.总结

CyclicBarrier和CountDownLatch是Java中的两个同步辅助类，它们有一些共同点，但也存在一些区别。

共同点：

1. 两者都是用于线程间的同步和协作，可以控制线程的执行顺序和并发性。
2. 都使用一个计数器来控制等待和释放线程的操作。
3. 都可以用于解决多线程之间的协同工作问题。

区别：

1. 计数器行为不同：
   • CyclicBarrier的计数器可以重用，当计数器减到0时，所有等待的线程会被释放，计数器会被重置为初始值，可以继续使用。
   • CountDownLatch的计数器只能减少一次，一旦减到0，所有等待的线程会被释放，计数器不能重置或再次使用。
2. 等待操作方式不同：
   • CyclicBarrier使用await()方法进行等待，当线程调用await()时，它会阻塞直到所有线程都到达屏障点，然后一起继续执行。
   • CountDownLatch使用await()方法进行等待，当线程调用await()时，它会阻塞直到计数器变为0，然后线程被释放。
3. 使用场景不同：
   • CyclicBarrier通常用于将一个大任务分解为多个子任务并行执行，然后等待所有子任务完成后再继续执行后续操作。它适用于多线程协同工作的场景。
   • CountDownLatch通常用于一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。它适用于线程之间的等待和同步的场景。

数器变为0，然后线程被释放。

3. 使用场景不同：

• CyclicBarrier通常用于将一个大任务分解为多个子任务并行执行，然后等待所有子任务完成后再继续执行后续操作。它适用于多线程协同工作的场景。
• CountDownLatch通常用于一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。它适用于线程之间的等待和同步的场景。

CyclicBarrier和CountDownLatch都是用于线程间的同步和协作，但它们的计数器行为、等待操作方式和使用场景有所不同。CyclicBarrier适用于任务分解和并行执行的场景，而CountDownLatch适用于线程之间的等待和同步的场景。在选择使用时，需要根据具体需求来确定使用哪个类更合适。