线程间通信方式（2）

前文了解了线程通信方式中的Object.wait/Object.notify以及Semaphore,接下来我们继续了解其他的线程减通信方式。

CountDownLatch

CountDownLatch利用一个指定的计数初始化，由于调用了countDown方法，await方法会阻塞直到当前技术为0，之后所有等待的线程都会被释放，任何后续的await都会立即返回。

CountDownLatch是一个通用的同步工具，可以用于许多目的。如果CountDownLatch初始化的计数为1，则可以用作简单的开/关锁存器或门，也就意味着所有调用await的线程都在门处等待，直到由调用countDown()的线程打开它。一个初始化为N的CountDownLatch可以用来让一个线程等待，直到N个线程完成了某个动作，或者某个动作完成了N次。

CountDownLatch核心接口说明如下：

方法名称	描述	备注
await()	使当前线程进入等待状态，直到计数减为0或者当前线程被中断，否则不会唤醒	/
await(long timeout, TimeUnit unit)	等待timeout时间后，计数还没减成0，则等待线程唤醒继续执行，不再等待	/
countDown()	对计数减1，如果减到了0，就会唤醒等待的线程	/
getCount()	获取当前计数的值	/

举个简单例子，某主任务中一共要发起5个子任务，等待所有任务完成后主任务继续，此时在主任务执行线程以计数取值为5初始化CountDownLatch，调用await等待，在每个子任务完成时，调用countDown方法使计数减1，等到5个子任务全部完成后，此时计数减为0，主任务唤醒，继续执行。

通过例子和描述可以看出CountDownLatch属于一次性操作，计数无法重置。

以主任务中发起5个子任务为例，使用CountDownLatch的代码实现如下：

public static void main(String[] args) {
    Thread mainThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("MainThread start working");
            CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
            try {
                for (int i=0;i<5;i++) {
                    Thread subThread = new Thread(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" start working");
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" completed");
                            countDownLatch.countDown();
                        }
                    });
                    subThread.setName("SubThread"+(i+1));
                    subThread.start();
                }
                countDownLatch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("MainThread completed");
        }
    });
    mainThread.setName("MainThread");
    mainThread.start();
}

运行结果如下：

对于CountDownLatch 而言，如果在计数为0前，有子任务发生异常导致退出，则所有等待的线程都会一致等待，直到超时时间来临，所以使用CountDownLatch一定要注意线程异常的处理。

CyclicBarrier

CyclicBarrier同样是一个多线程同步的工具类，译为循环栅栏，其允许一组线程互相等待到达一个同步的屏障点，CyclicBarrier在一组固定大小的线程中存在相互等待的场景下十分有用，之所以称为循环栅栏，是因为其在其他线程释放后可以重新使用。

CyclicBarrier使用一个指定计数和Runnable进行初始化，初始化完成后，当CyclicBarrier.await调用次数等于计数，也就是等待线程数等于计数时，则会触发初始化传入Runnable运行，该Runnable运行在最后一个进入等待的线程中，随后所有等待线程唤醒继续执行。

7位选手参加田径比赛，所有人在起点就位，准备完成后，发射信号枪起跑。用CyclicBarrier来实现比赛逻辑，则以计数7和运行发射信号枪的Runnable初始化CyclicBarrier，每一个选手起点准备完成后，都调用一次CyclicBarrier.await，当所有选手都准备完成，发射信号枪的Runnable运行，比赛开始，实现代码如下：

public static void main(String[] args) {
    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(7, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("所有选手准备完成，发射信号枪，比赛开始，运行在："+Thread.currentThread().getName());
        }
    });
    for (int i=0;i<7;i++) {
        int finalI = i;
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println((finalI +1)+"号选手准备完成，运行在："+Thread.currentThread().getName());
                try {
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println((finalI +1)+"号选手准备达到准点，运行在："+Thread.currentThread().getName());
            }
        });
        thread.setName("选手"+(i+1));
        thread.start();
    }
}

输出如下：

对于CyclicBarrier 而言，如果在所有线程都到达屏障陷入阻塞前，如果有线程发生异常导致未到达栅栏提前退出，则所有等待在栅栏都会以BrokenBarrierException或InterruptedException异常退出。

Lock，Condition与ReentrantLock

Lock通常译为锁，其是一种控制多个线程对共享资源访问的工具，与同步方法和语句相比，Lock提供了更多广泛的操作，其允许的结构更灵活，比如不同的属性，多个关联的Condition对象等。通常情况下，可以通过锁控制一次只有一个线程可以访问共享资源，所有线程在访问共享资源时都需要获取锁。部分锁也支持多共享资源进行并发访问，比如ReadWriteLock。

Lock核心函数如下表所示：

函数名称	描述	备注
lock()	获取对象锁，如果锁不可用，则当前线程被阻塞，在获取锁前处于休眠状态	/
unlock()	释放锁，锁释放操作应处于finally块内，确保在任何情况下都能释放，以免造成死锁	/
tryLock()	锁是否可用，true-可用，false-不可用	/

Condition通常译为条件，其将Object的wait，notify，notifyAll提取到不同的对象中，通过将这些对象与任一锁对象的使用结合起来，从而达到单个对象具有多个等待集的效果，在Lock+Condition的模式中，Lock代替了前文中Object.wait+synchronized中的synchronized，Condition代替了Object.wait/notify/notifyAll。

Condition核心函数如下表所示：

函数名称	描述	备注
await()	当前线程进入等待状态，直到被通知或中断，线程从await方法返回进入运行状态的情况包括：1.其他线程调用了该Condition的signal或signalAll方法。2.其他线程中断当前线程。	/
signal()	唤醒一个等待在该Condition上的线程	/
signalAll()	唤醒所有等待在该Condition上的线程	/

在实现上Lock和Condition均为接口，所以我们一般使用Lock的实现类ReentrantLock来实现锁机制，借助ReentrantLock对象内部的newCondition获得Condition的实现对象，进而搭配完成线程间通信，接下来我们使用ReentrantLock实现消费者-生产者模式，代码如下：

private static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
    // 创建Lock对象
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 创建Condition对象
    Condition condition = lock.newCondition();
    // 创建盘子
    Counter counter = new Counter();
    Thread incThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (count < 4) {
                lock.lock();
                try {
                    if (counter.getCount() != 0) {
                        condition.await();
                    }
                    counter.incCount();
                    count++;
                    System.out.println("Inc Thread ++,current count is:" + counter.getCount());
                    condition.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    });
    incThread.setName("Inc Thread");
    incThread.start();

    Thread decThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (count < 4) {
                lock.lock();
                try {
                    if (counter.getCount() == 0) {
                        condition.await();
                    }
                    counter.decCount();
                    System.out.println("Dec Thread --,current count is:" + counter.getCount());
                    condition.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    });
    decThread.setName("Dec Thread");
    decThread.start();
}

运行结果如下：

前面提到过，Condition将Object的wait，notify，notifyAll提取到不同的对象中，也就意味着我们可以更灵活的控制锁获取，我们新建两个Condition对象，一个控制生产者，一个控制消费者，代码如下：

private static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 控制生产者
    Condition incCondition = lock.newCondition();
    // 控制消费者
    Condition decCondition = lock.newCondition();
    Counter counter = new Counter();
    Thread incThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (count < 4) {
                lock.lock();
                try {
                    if (counter.getCount() != 0) {
                        // 阻塞当前生产线程
                        incCondition.await();
                    }
                    counter.incCount();
                    count++;
                    System.out.println("Inc Thread ++,current count is:" + counter.getCount());
                    // 唤醒消费者
                    decCondition.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    });
    incThread.setName("Inc Thread");
    incThread.start();

    Thread decThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (count < 4) {
                lock.lock();
                try {
                    if (counter.getCount() == 0) {
                        // 阻塞当前消费线程
                        decCondition.await();
                    }
                    counter.decCount();
                    System.out.println("Dec Thread --,current count is:" + counter.getCount());
                    // 唤醒生产线程
                    incCondition.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    });
    decThread.setName("Dec Thread");
    decThread.start();
}