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解释 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的作用，并给出一个实际的使用场景来说明如何使用这两个类来协调多线程任务？

article 2024/11/15 4:36:45

在 Java 并发编程中，CountDownLatch 和 CyclicBarrier 是两种非常有用的工具类，它们可以帮助我们协调多线程任务的执行顺序。

下面我们分别介绍这两种工具类的作用，并给出一个实际的使用场景来说明如何使用它们来协调多线程任务。

1. CountDownLatch

作用

CountDownLatch 是一个同步辅助类，它允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

它有一个内部的计数器，每当一个操作完成时，计数器减一。

当计数器到达零时，所有等待的线程都会被释放。

使用场景

假设我们有一个主程序，需要等待多个子线程完成各自的任务后才能继续执行。

这时可以使用 CountDownLatch 来同步这些子线程的完成情况。

代码示例

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个 CountDownLatch，初始计数器设置为 3
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

        // 创建并启动三个线程
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " finished.");
                } finally {
                    latch.countDown(); // 完成后计数器减一
                }
            }).start();
        }

        // 主线程等待所有子线程完成
        System.out.println("Waiting for all threads to finish...");
        latch.await();
        System.out.println("All threads have finished.");
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个 CountDownLatch 对象，初始计数器为 3。主线程启动了三个子线程，每个子线程执行完任务后调用 countDown() 方法使计数器减一。主线程通过调用 latch.await() 方法等待计数器归零，即所有子线程完成任务后才继续执行。

2. CyclicBarrier

作用

CyclicBarrier 类似于 CountDownLatch，但它允许一组线程相互等待，直到到达某个公共屏障点。当所有线程到达屏障点后，它们会被释放，并继续执行后续任务。

CyclicBarrier 的名称中的“Cyclic”表示它可以重用。

使用场景

假设我们有一个任务，需要多个子线程并行执行，但它们必须在某个点同步，然后再继续执行下一步。

这时可以使用 CyclicBarrier 来实现。

代码示例

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 CyclicBarrier，初始计数器设置为 3
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("All threads have reached the barrier point.");
        });

        // 创建并启动三个线程
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " reached the barrier point.");
                    barrier.await(); // 等待所有线程到达屏障点
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                    System.err.println("Thread interrupted.");
                }
            }).start();
        }
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个 CyclicBarrier 对象，初始计数器为 3。

主线程启动了三个子线程，每个子线程执行完任务后调用 barrier.await() 方法等待所有线程到达屏障点。

当所有线程到达屏障点后，它们会被释放，并继续执行后续任务。

合理化的使用建议

选择合适的工具类
- 如果只需要等待一组任务全部完成，可以选择 CountDownLatch。
- 如果需要多个线程在某个点同步后继续执行，可以选择 CyclicBarrier。
性能考虑
- 在高并发环境下，CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的性能可能受到一定影响，尤其是在计数器很大时。
- 选择合适的并发级别，避免不必要的同步开销。
代码清晰性
- 使用 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 可以使代码更清晰易懂，尤其是涉及到多线程同步的场景。

实际开发过程中的注意点

异常处理
- 在使用 CyclicBarrier 时，要注意捕获 InterruptedException 和 BrokenBarrierException。
- 在使用 CountDownLatch 时，要注意捕获 InterruptedException。
线程安全
- 在多线程环境下，确保所有共享资源的访问是线程安全的。
- 使用 synchronized 或 ReentrantLock 等机制来保证线程安全。
性能监控
- 使用工具如 VisualVM 或 JConsole 来监控多线程任务的执行情况。
- 定期检查线程池的状态，确保线程数量和任务队列长度处于合理范围内。