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大厂面试题：你知道JUC中的Semaphore、CyclicBarrier、CountDownLatch吗

news 来源：原创 2024/5/2 23:17:05

听说微信搜索《Java鱼仔》会变更强哦！

本文收录于JavaStarter ，里面有我完整的Java系列文章，学习或面试都可以看看哦

（一）概述

资源的分配方式有两种，一种是独占，比如之前讲的ReentrantLock，另外一种是共享，即我们今天将要学习的Semaphore、CyclicBarrier以及CountDownLatch。这些都是JUC包中的类。

（二）Semaphore

Semaphore是信号量的意思，作用是控制访问特定资源的线程数量。
其核心API为：

semaphore.acquire();
semaphore.release();

这么说可能比较模糊，下面我举个例子。

Semaphore就好比游乐园中的某个游乐设施的管理员，用来控制同时玩这个游乐设施的人数。比如跳楼机只能坐十个人，就设置Semaphore的permits等于10。

每当有一个人来时，首先判断permits是否大于0，如果大于0，就把一个许可证给这个人，同时自己的permits数量减一。

如果permits数量等于0了，其他人再想进来时就只能排队了。

当一个人玩好之后，这个人把许可证还给Semaphore，permits加1，正在排队的人再来竞争这一个许可证。

下面通过代码来演示这样一个场景

public class SemaphoreTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建permits等于2
        Semaphore semaphore=new Semaphore(2);
        //开五个线程去执行PlayGame
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new PlayGame(semaphore)).start();
        }
    }

    static class PlayGame extends Thread{
        Semaphore semaphore;
        public PlayGame(Semaphore semaphore){
            this.semaphore=semaphore;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获得一个许可证");
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"释放一个许可证");
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

在这里设置Semaphore的permit等于2，表示同时只有两个线程可以执行，然后开五个线程，在执行前通过semaphore.acquire();获取permit，执行后通过semaphore.release();归还permit。

在这里插入图片描述

通过结果可以观察到，每次最多只会有两个线程执行PlayGame 。

（三）Semaphore原理

3.1 默认非公平锁

Semaphore默认创建的是一个非公平锁：

在这里插入图片描述

3.2 Semaphore源码分析

Semaphore的实现方式和ReentrantLock十分类似。

首先定义一个内部类Sync继承AbstractQueuedSynchronizer

在这里插入图片描述

从Sync的构造方法中可以看到，初始化时设置state等于permits，在讲ReentrantLock的时候，state用来存储重入锁的次数，在Semaphore中state用来存储资源的数量。

Semaphore的核心方法是acquire和release，当执行acquire方法时，sync会执行一个获取一个共享资源的操作：

在这里插入图片描述

核心是判断剩余数量是否大于0，如果是的话就通过cas操作去获取资源，否则就进入队列中等待

当执行release方法时，sync会执行一个将一个共享资源放回去的cas操作

在这里插入图片描述

（四）CountDownLatch

countdownlatch能够让一个线程等待其他线程工作完成之后再执行。

countdownlatch通过一个计数器来实现，初始值是指定的数量，每当一个线程完成自己的任务后，计数器减一，当计数器为0时，执行最后的等待线程。

其核心API为

CountDownLatch.countDown();
CountDownLatch.await();

下面来看代码示例：

设定countDownLatch初始值为2，定义两个线程分别执行对应的方法，方法执行完毕后再执行countDownLatch.countDown(); 这两个方法执行的过程中，主线程被countDownLatch.await();阻塞，只有等到其他线程都执行完毕之后才可执行。

public class CountDownLatchTest {
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //设定初始值为2
        CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(2);
        //执行两个任务
        new Thread(new Task1(countDownLatch)).start();
        new Thread(new Task2(countDownLatch)).start();
        //在两个任务执行完之后才会执行await方法之后的代码
        countDownLatch.await();
        System.out.println("其余两个线程执行完之后执行");
    }

    private static class Task1 implements Runnable {
        private CountDownLatch countDownLatch;
        public Task1(CountDownLatch countDownLatch) {
            this.countDownLatch=countDownLatch;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("执行任务一");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                if (countDownLatch!=null){
                    //执行完毕后调用countDown
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }
        }
    }

    private static class Task2 implements Runnable {
        private CountDownLatch countDownLatch;
        public Task2(CountDownLatch countDownLatch) {
            this.countDownLatch=countDownLatch;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("执行任务二");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                if (countDownLatch!=null){
                    //执行完毕后调用countDown
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }
        }
    }
}

效果如下：

在这里插入图片描述

（五）CyclicBarrier

栅栏屏障，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续运行。
其核心API为：

cyclicBarrier.await();

和countdownlatch的区别在于，countdownlatch是一个线程等待其他线程执行完毕后再执行，CyclicBarrier是每一个线程等待所有线程执行完毕后，再执行。

看代码，初始化cyclicBarrier为3，两个子线程和一个主线程执行完时都会被阻塞在cyclicBarrier.await();代码前，等三个线程都执行完毕后再执行接下去的代码。

public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) throws BrokenBarrierException, InterruptedException {
        CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(3);
        System.out.println("执行主线程");
        new Thread(new Task1(cyclicBarrier)).start();
        new Thread(new Task2(cyclicBarrier)).start();
        cyclicBarrier.await();
        System.out.println("三个线程都执行完毕，继续执行主线程");
    }

    private static class Task1 implements Runnable {
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Task1(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier=cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("执行任务一");
            try {
                Thread.sleep(2000);
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("三个线程都执行完毕，继续执行任务一");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private static class Task2 implements Runnable {
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Task2(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier=cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("执行任务二");
            try {
                Thread.sleep(2000);
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println("三个线程都执行完毕，继续执行任务二");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

结果如下：

在这里插入图片描述

cyclicBarrier还可以重复执行，而不需要重新去定义。

public static void main(String[] args) throws BrokenBarrierException, InterruptedException {
    CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(3);
    //第一次
    System.out.println("执行主线程");
    new Thread(new Task1(cyclicBarrier)).start();
    new Thread(new Task2(cyclicBarrier)).start();
    cyclicBarrier.await();
    System.out.println("三个线程都执行完毕，继续执行主线程");
    //第二次
    System.out.println("执行主线程");
    new Thread(new Task1(cyclicBarrier)).start();
    new Thread(new Task2(cyclicBarrier)).start();
    cyclicBarrier.await();
}