在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore工具类提供了一种并发流程控制的手段，Exchanger工具类则提供了在线程间交换数据的一种手段。本章会配合一些应用场景来介绍如何使用这些工具类。

一、等待多线程完成的CountDownLatch

CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

假如有这样一个需求：我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序需要提示解析完成。在这个需求中，要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，最简单的做法是使用join()方法，如代码清单8-1所示。

代码清单8-1 JoinCountDownLatchTest.java

public class JoinCountDownLatchTest {  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {  
            @Override  
 			public void run() {  
            }  
        });  
        Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {  
            @Override  
			 public void run() {  
                System.out.println("parser2 finish");  
            }  
        });  
        parser1.start();  
        parser2.start();  
        parser1.join();  
        parser2.join();  
        System.out.println("all parser finish");  
    }  
}

join用于让当前执行线程等待join线程执行结束。其实现原理是不停检查join线程是否存活，如果join线程存活则让当前线程永远等待。其中，wait（0）表示永远等待下去，代码片段如下。

while (isAlive()) {

	wait(0);

}

直到join线程中止后，线程的this.notifyAll()方法会被调用，调用notifyAll()方法是在JVM里实现的，所以在JDK里看不到，大家可以查看JVM源码。

在JDK 1.5之后的并发包中提供的CountDownLatch也可以实现join的功能，并且比join的功能更多，如代码清单8-2所示。

代码清单8-2 CountDownLatchTest.java

public class CountDownLatchTest {  
    staticCountDownLatch c = new CountDownLatch(2);  
  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        new Thread(new Runnable() {  
            @Override  
 			public void run() {  
                System.out.println(1);  
                c.countDown();  
                System.out.println(2);  
                c.countDown();  
            }  
        }).start();  
        c.await();  
        System.out.println("3");  
    }  
}

CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器，如果你想等待N个点完成，这里就传入N。

当我们调用CountDownLatch的countDown()方法时，N就会减1，CountDownLatch的await方法会阻塞当前线程，直到N变成零。由于countDown方法可以用在任何地方，所以这里说的N个点，可以是N个线程，也可以是1个线程里的N个执行步骤。用在多个线程时，只需要把这个CountDownLatch的引用传递到线程里即可。

如果有某个解析sheet的线程处理得比较慢，我们不可能让主线程一直等待，所以可以使用另外一个带指定时间的await方法——await（long time，TimeUnit unit），这个方法等待特定时间后，就会不再阻塞当前线程。join也有类似的方法。

注意 计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是零，调用await方法时不会阻塞当前线程。CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数器的值。一个线程调用countDown方法happen-before，另外一个线程调用await方法。

二、同步屏障CyclicBarrier

CyclicBarrier的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，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。

2.1、CyclicBarrier简介

CyclicBarrier默认的构造方法是CyclicBarrier（int parties），其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。示例

代码清单8-3 CyclicBarrierTest.java

public class CyclicBarrierTest {  
    staticCyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);  
  
    public static void main(String[] args) {  
        new Thread(new Runnable() {  
            @Override  
 			public void run() {  
                try {  
                    c.await();  
                } catch (Exception e) {  
                }  
                System.out.println(1);  
            }  
        }).start();  
        try {  
            c.await();  
        } catch (Exception e) {  
        }  
        System.out.println(2);  
    }  
}

因为主线程和子线程的调度是由CPU决定的，两个线程都有可能先执行，所以会产生两种输出，第一种可能输出如下。

1
2

第二种可能输出如下。

2
1

如果把new CyclicBarrier(2)修改成new CyclicBarrier(3)，则主线程和子线程会永远等待，因为没有第三个线程执行await方法，即没有第三个线程到达屏障，所以之前到达屏障的两个线程都不会继续执行。

CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier（int parties，Runnable barrierAction），用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction线程，方便处理更复杂的业务场景，如代码清单8-4所示。

代码清单8-4 CyclicBarrierTest2.java

public class CyclicBarrierTest2 {  
    static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());  
  
    public static void main(String[] args) {  
        new Thread(new Runnable() {  
            @Override  
 			public void run() {  
                try {  
                    c.await();  
                } catch (Exception e) {  
                }  
                System.out.println(1);  
            }  
        }).start();  
        try {  
            c.await();  
        } catch (Exception e) {  
        }  
        System.out.println(2);  
    }  
  
    static class A implements Runnable {  
        @Override  
 		public void run() {  
            System.out.println(3);  
        }  
    }  
}

因为CyclicBarrier设置了拦截线程的数量是2，所以必须等代码中的第一个线程和线程A都执行完之后，才会继续执行主线程，然后输出2，所以代码执行后的输出如下。

3
1
2

2.2、CyclicBarrier的应用场景

CyclicBarrier可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。例如，用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个账户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个sheet里的银行流水，都执行完之后，得到每个sheet的日均银行流水，最后，再用barrierAction用这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水，如代码清单8-5所示。

代码清单8-5 BankWaterService.java

 略

使用线程池创建4个线程，分别计算每个sheet里的数据，每个sheet计算结果是1，再由BankWaterService线程汇总4个sheet计算出的结果，输出结果如下。

2.3、CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景。例如，如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程重新执行一次。

CyclicBarrier还提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以获得Cyclic-Barrier阻塞的线程数量。isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断。代码清单8-5执行完之后会返回true，其中isBroken的使用代码如代码清单8-6所示。

三、控制并发线程数的Semaphore

Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。

多年以来，我都觉得从字面上很难理解Semaphore所表达的含义，只能把它比作是控制流量的红绿灯。比如××马路要限制流量，只允许同时有一百辆车在这条路上行使，其他的都必须在路口等待，所以前一百辆车会看到绿灯，可以开进这条马路，后面的车会看到红灯，不能驶入××马路，但是如果前一百辆中有5辆车已经离开了××马路，那么后面就允许有5辆车驶入马路，这个例子里说的车就是线程，驶入马路就表示线程在执行，离开马路就表示线程执行完成，看见红灯就表示线程被阻塞，不能执行。

3.1、应用场景

Semaphore可以用于做流量控制，特别是公用资源有限的应用场景，比如数据库连接。假如有一个需求，要读取几万个文件的数据，因为都是IO密集型任务，我们可以启动几十个线程并发地读取，但是如果读到内存后，还需要存储到数据库中，而数据库的连接数只有10个，这时我们必须控制只有10个线程同时获取数据库连接保存数据，否则会报错无法获取数据库连接。这个时候，就可以使用Semaphore来做流量控制，如代码清单8-7所示。

代码清单8-7 SemaphoreTest.java

public class SemaphoreTest {  
    private static final int THREAD_COUNT = 30;  
    private static ExecutorServicethreadPool =Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);  
    private static Semaphore s = new Semaphore(10);  
  
    public static void main(String[] args) {  
        for (inti = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  
            threadPool.execute(new Runnable() {  
                @Override  
				 public void run() {  
                    try {  
                        s.acquire();  
                        System.out.println("save data");  
                        s.release();  
                    } catch (InterruptedException e) {  
                    }  
                }  
            });  
        }  
        threadPool.shutdown();  
    }  
}

在代码中，虽然有30个线程在执行，但是只允许10个并发执行。Semaphore的构造方法Semaphore（int permits）接受一个整型的数字，表示可用的许可证数量。Semaphore（10）表示允许10个线程获取许可证，也就是最大并发数是10。Semaphore的用法也很简单，首先线程使用Semaphore的acquire()方法获取一个许可证，使用完之后调用release()方法归还许可证。还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证。

3.2、其他方法

Semaphore还提供一些其他方法，具体如下。

• intavailablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数。

• intgetQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数。

• booleanhasQueuedThreads()：是否有线程正在等待获取许可证。

• void reducePermits（int reduction）：减少reduction个许可证，是个protected方法。

• Collection getQueuedThreads()：返回所有等待获取许可证的线程集合，是个protected方法。

四、线程间交换数据的Exchanger

Exchanger（交换者）是一个用于线程间协作的工具类。Exchanger用于进行线程间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过exchange方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange()方法，它会一直等待第二个线程也执行exchange方法，当两个线程都到达同步点时，这两个线程就可以交换数据，将本线程生产出来的数据传递给对方。

下面来看一下Exchanger的应用场景。

Exchanger可以用于遗传算法，遗传算法里需要选出两个人作为交配对象，这时候会交换两人的数据，并使用交叉规则得出2个交配结果。Exchanger也可以用于校对工作，比如我们需要将纸制银行流水通过人工的方式录入成电子银行流水，为了避免错误，采用AB岗两人进行录入，录入到Excel之后，系统需要加载这两个Excel，并对两个Excel数据进行校对，看看是否录入一致，代码如代码清单8-8所示。

 略

如果两个线程有一个没有执行exchange()方法，则会一直等待，如果担心有特殊情况发生，避免一直等待，可以使用exchange（V x，longtimeout，TimeUnit unit）设置最大等待时长。

五、本章小结

本章配合一些应用场景介绍JDK中提供的几个并发工具类，大家记住这个工具类的用途，一旦有对应的业务场景，不妨试试这些工具类。