并发协调神器CountDownLatch和CyclicBarrier_Java教程

并发协调神器CountDownLatch和CyclicBarrier

1.引言

从Java的最初版本开始，就可以利用Java来进行多线程编程。正因为Java从最早的版本就支持多线程编程，程序员们才能够利用Java强大的多线程机制来实现并发任务的执行。然而，多线程编程虽然强大，却也带来了一系列潜在的问题和挑战。

假设有一个共享的咖啡机，多个同事在办公室中使用它来冲泡咖啡。这里就存在着典型的多线程问题：

竞态条件（Race Condition）：多个同事同时按下冲泡按钮，如果没有适当的控制和同步机制，可能会导致咖啡机出现异常行为，比如一次性冲出过多的咖啡或者没有冲出咖啡。
死锁（Deadlock）：例如，如果两个同事分别占用了添加水和放置咖啡粉的步骤，但互相等待对方完成，那么咖啡机就无法继续工作了。
数据同步（Data Synchronization）：确保每个同事知道何时该添加水、何时该放置咖啡粉，以及何时可以开始冲泡，从而避免出现混乱或资源争夺的情况。

2.并发引出的问题

并发引发问题的根源归咎于三个方面：

（1）可见性: CPU缓存引起

可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到。

举个简单的例子，看下面这段代码：

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
 
//线程2执行的代码
j = i;

在多线程环境下，如果线程1对变量i进行了修改，但由于CPU缓存的存在，这个修改可能并不会立即被其他线程（比如线程2）所看到。这样，在线程2执行j = i;时，它可能读取到的是旧的i的值，而不是线程1修改后的新值。

（2）原子性: 分时复用引起

原子性：即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。经典的转账问题：比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。然后又从B取出了500元，取出500元之后，再执行往账户B加上1000元的操作。这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

（3）有序性: 重排序引起

并发协调神器CountDownLatch和CyclicBarrier

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗? 不一定，为什么呢? 这里可能会发生指令重排序。

3.CountDownLatch和CyclicBarrier如何让多线程步调一致

在多线程编程中，有时我们需要让多个线程协同工作，以便在某个点上保持步调一致。Java中的CountDownLatch和CyclicBarrier就是用来实现这一目的的两个重要工具。

（1）CountDownLatch

实现原理:

CountDownLatch是一个计数器，它允许一个或多个线程等待一组操作完成。其基本思想是，一个线程或多个线程在执行任务时，需要等待其他线程都执行完毕后才能继续执行。CountDownLatch通过一个计数器来实现，当计数器为0时，等待的线程可以继续执行。

并发协调神器CountDownLatch和CyclicBarrier

这段代码演示了使用CountDownLatch来实现多个线程之间的协同工作，确保它们按照预期顺序执行。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 初始化计数器为3

        Runnable task = () -> {
            // 执行一些操作
            latch.countDown(); // 操作完成后将计数器减1
        };

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start(); // 启动3个线程执行任务
        }

        latch.await(); // 等待计数器变为0
        System.out.println("所有操作已完成，多线程步调一致！");
    }
}

当3个线程都调用了countDown之后，主线程从await返回，并输出"所有操作已完成，多线程步调一致！

（2）CyclicBarrier

实现原理:

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。

并发协调神器CountDownLatch和CyclicBarrier

这段代码演示了如何使用CyclicBarrier来实现多个线程在一个屏障点进行等待，并在达到该位置后同时继续执行后续操作。CyclicBarrier常用于多个线程协同工作，并且需要在某个点上实现同步，在实际场景中可以用于控制多线程分阶段执行任务的情况。

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("所有线程已到达栅栏位置，开始执行后续操作！");
        });

        Runnable task = () -> {
            try {
                // 执行一些操作
                barrier.await(); // 等待其他线程到达栅栏位置
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        };

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start(); // 启动3个线程执行任务
        }
    }
}

4.总结

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 都是 Java 多线程编程中用于控制多个线程协同工作的工具，但它们之间有一些关键的区别，用法的区别如下：CountDownLatch 主要用来解决一个线程等待多个线程的场景，可以类比旅游团团长要等待所有的游客到齐才能去下一个景点；而CyclicBarrier 是一组线程之间互相等待，更像是几个驴友之间不离不弃。