并發(fā)協(xié)調(diào)神器CountDownLatch和CyclicBarrier
1.引言
從Java的最初版本開始，就可以利用Java來進(jìn)行多線程編程。正因為Java從最早的版本就支持多線程編程，程序員們才能夠利用Java強大的多線程機(jī)制來實現(xiàn)并發(fā)任務(wù)的執(zhí)行。然而，多線程編程雖然強大，卻也帶來了一系列潛在的問題和挑戰(zhàn)。
假設(shè)有一個共享的咖啡機(jī)，多個同事在辦公室中使用它來沖泡咖啡。這里就存在著典型的多線程問題：
- 競態(tài)條件（Race Condition）：多個同事同時按下沖泡按鈕，如果沒有適當(dāng)?shù)目刂坪屯綑C(jī)制，可能會導(dǎo)致咖啡機(jī)出現(xiàn)異常行為，比如一次性沖出過多的咖啡或者沒有沖出咖啡。
- 死鎖（Deadlock）：例如，如果兩個同事分別占用了添加水和放置咖啡粉的步驟，但互相等待對方完成，那么咖啡機(jī)就無法繼續(xù)工作了。
- 數(shù)據(jù)同步（Data Synchronization）：確保每個同事知道何時該添加水、何時該放置咖啡粉，以及何時可以開始沖泡，從而避免出現(xiàn)混亂或資源爭奪的情況。
2.并發(fā)引出的問題
并發(fā)引發(fā)問題的根源歸咎于三個方面：
（1）可見性: CPU緩存引起
可見性：一個線程對共享變量的修改，另外一個線程能夠立刻看到。
舉個簡單的例子，看下面這段代碼：
//線程1執(zhí)行的代碼
int i = 0;
i = 10;
//線程2執(zhí)行的代碼
j = i;在多線程環(huán)境下，如果線程1對變量i進(jìn)行了修改，但由于CPU緩存的存在，這個修改可能并不會立即被其他線程（比如線程2）所看到。這樣，在線程2執(zhí)行j = i;時，它可能讀取到的是舊的i的值，而不是線程1修改后的新值。
（2）原子性: 分時復(fù)用引起
原子性：即一個操作或者多個操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。 經(jīng)典的轉(zhuǎn)賬問題：比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元，那么必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。 試想一下，如果這2個操作不具備原子性，會造成什么樣的后果。假如從賬戶A減去1000元之后，操作突然中止。然后又從B取出了500元，取出500元之后，再執(zhí)行 往賬戶B加上1000元 的操作。這樣就會導(dǎo)致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個轉(zhuǎn)過來的1000元。 所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現(xiàn)一些意外的問題。
（3）有序性: 重排序引起
有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。舉個簡單的例子，看下面這段代碼：
int i = 0;
boolean flag = false;
i = 1; //語句1
flag = true; //語句2上面代碼定義了一個int型變量，定義了一個boolean類型變量，然后分別對兩個變量進(jìn)行賦值操作。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執(zhí)行嗎? 不一定，為什么呢? 這里可能會發(fā)生指令重排序。
3.CountDownLatch和CyclicBarrier如何讓多線程步調(diào)一致
在多線程編程中，有時我們需要讓多個線程協(xié)同工作，以便在某個點上保持步調(diào)一致。Java中的CountDownLatch和CyclicBarrier就是用來實現(xiàn)這一目的的兩個重要工具。
（1）CountDownLatch
實現(xiàn)原理:
CountDownLatch是一個計數(shù)器，它允許一個或多個線程等待一組操作完成。其基本思想是，一個線程或多個線程在執(zhí)行任務(wù)時，需要等待其他線程都執(zhí)行完畢后才能繼續(xù)執(zhí)行。CountDownLatch通過一個計數(shù)器來實現(xiàn)，當(dāng)計數(shù)器為0時，等待的線程可以繼續(xù)執(zhí)行。
這段代碼演示了使用CountDownLatch來實現(xiàn)多個線程之間的協(xié)同工作，確保它們按照預(yù)期順序執(zhí)行。
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 初始化計數(shù)器為3
Runnable task = () -> {
// 執(zhí)行一些操作
latch.countDown(); // 操作完成后將計數(shù)器減1
};
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(task).start(); // 啟動3個線程執(zhí)行任務(wù)
}
latch.await(); // 等待計數(shù)器變?yōu)?
System.out.println("所有操作已完成，多線程步調(diào)一致！");
}
}當(dāng)3個線程都調(diào)用了countDown之后，主線程從await返回，并輸出"所有操作已完成，多線程步調(diào)一致！
（2）CyclicBarrier
實現(xiàn)原理:
字面意思回環(huán)柵欄，通過它可以實現(xiàn)讓一組線程等待至某個狀態(tài)之后再全部同時執(zhí)行。叫做回環(huán)是因為當(dāng)所有等待線程都被釋放以后，CyclicBarrier可以被重用。我們暫且把這個狀態(tài)就叫做barrier，當(dāng)調(diào)用await()方法之后，線程就處于barrier了。
這段代碼演示了如何使用CyclicBarrier來實現(xiàn)多個線程在一個屏障點進(jìn)行等待，并在達(dá)到該位置后同時繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。CyclicBarrier常用于多個線程協(xié)同工作，并且需要在某個點上實現(xiàn)同步，在實際場景中可以用于控制多線程分階段執(zhí)行任務(wù)的情況。
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
System.out.println("所有線程已到達(dá)柵欄位置，開始執(zhí)行后續(xù)操作！");
});
Runnable task = () -> {
try {
// 執(zhí)行一些操作
barrier.await(); // 等待其他線程到達(dá)柵欄位置
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
};
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(task).start(); // 啟動3個線程執(zhí)行任務(wù)
}
}
}4.總結(jié)
CountDownLatch 和 CyclicBarrier 都是 Java 多線程編程中用于控制多個線程協(xié)同工作的工具，但它們之間有一些關(guān)鍵的區(qū)別，用法的區(qū)別如下：CountDownLatch 主要用來解決一個線程等待多個線程的場景，可以類比旅游團(tuán)團(tuán)長要等待所有的游客到齊才能去下一個景點；而CyclicBarrier 是一組線程之間互相等待，更像是幾個驢友之間不離不棄。
（1）功能不同:
- CountDownLatch 用于讓一個或多個線程等待其他線程完成操作，達(dá)到某個條件后再繼續(xù)執(zhí)行。
- CyclicBarrier 則用于讓多個線程在指定位置處進(jìn)行等待，然后同時繼續(xù)執(zhí)行。
（2）重用性:
- CountDownLatch 是一次性的，一旦計數(shù)器變?yōu)?，就不能再重置使用。
- CyclicBarrier 可以被重復(fù)使用，當(dāng)所有線程都到達(dá)屏障點后，可以選擇重置柵欄來進(jìn)行下一輪等待。
（3）回調(diào)操作:
- CountDownLatch 沒有提供回調(diào)操作的機(jī)制。
- CyclicBarrier 可以在所有線程到達(dá)屏障點后執(zhí)行指定的合并操作。
（4）適用場景:
- CountDownLatch 適用于一組線程需要等待另一組線程執(zhí)行完畢后再執(zhí)行的情況，或者等待某些條件滿足后再繼續(xù)執(zhí)行。
- CyclicBarrier 適用于多個線程需要在特定點同步，并且在這一點上需要同時繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作的情況。
總的來說，CountDownLatch的適用場景更傾向于等待其他線程的任務(wù)完成，而CyclicBarrier更適用于多個線程在特定位置同步后繼續(xù)執(zhí)行。兩者都是非常有用的并發(fā)控制工具，能夠幫助程序員更加靈活地管理多線程任務(wù)的執(zhí)行順序。
