Java中的CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore详解

1. 基本概念与作用

CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore是JUC包中常用的同步工具类，用于协调多线程之间的执行顺序或资源分配：

• CountDownLatch：允许一个或多个线程等待其他线程完成操作后再执行。
• CyclicBarrier：让一组线程互相等待，达到屏障点后同时继续执行，可重复使用。
• Semaphore：控制同时访问特定资源的线程数量，通过许可证（permits）实现限流。

2. CountDownLatch 详解

核心机制

• 初始化时指定一个计数器（如new CountDownLatch(3)）。
• 线程调用countDown()时计数器减1，调用await()的线程会阻塞直到计数器归零。

使用场景

• 主线程等待多个子线程完成任务后再继续（如并行计算后汇总结果）。
• 服务启动时等待所有依赖组件初始化完成。

示例代码

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

// 子线程完成任务后递减计数器
new Thread(() -> {
    System.out.println("任务1完成");
    latch.countDown();
}).start();

new Thread(() -> {
    System.out.println("任务2完成");
    latch.countDown();
}).start();

// 主线程等待所有任务完成
latch.await();
System.out.println("所有任务完成，主线程继续");

特点：计数器不可重置，一次性使用。

3. CyclicBarrier 详解

核心机制

• 初始化时指定线程数量（如new CyclicBarrier(3)）和一个可选的屏障动作（Runnable）。
• 线程调用await()时阻塞，直到指定数量的线程都到达屏障点，然后所有线程同时继续执行。

使用场景

• 多阶段任务需要同步（如并行计算中每阶段需等待所有线程就绪）。
• 模拟并发测试（多个线程同时触发操作）。

示例代码

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
    System.out.println("所有线程到达屏障，执行屏障动作");
});

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    new Thread(() -> {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到达屏障");
        try {
            barrier.await(); // 等待其他线程
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "继续执行");
    }).start();
}

特点：计数器可重置（通过reset()方法），支持重复使用。

4. Semaphore 详解

核心机制

• 初始化时指定许可证数量（如new Semaphore(3)）。
• 线程通过acquire()获取许可证（若无许可证则阻塞），通过release()释放许可证。

使用场景

• 限制资源并发访问数（如数据库连接池、接口限流）。
• 控制线程池中任务提交速率。

示例代码

Semaphore semaphore = new Semaphore(2); // 允许2个线程同时访问

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            semaphore.acquire(); // 获取许可证
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "占用资源");
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release(); // 释放许可证
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放资源");
        }
    }).start();
}

特点：支持公平/非公平模式，许可证可动态增减。

5. 三者的对比

6. 注意事项

1. CountDownLatch的await()可设置超时时间，避免无限等待。
2. CyclicBarrier的屏障动作由最后到达屏障的线程执行。
3. Semaphore的release()方法可在任意线程调用，即使未先调用acquire()（可能导致许可证数量超过初始值）。

通过合理选择这三种工具，可以高效解决线程同步和资源控制问题。