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CountDownLatch 和 CyclicBarrier 使用场景详解

article 2025/8/26 13:04:20

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 使用场景详解

在并发编程中，Java 提供了多种工具来帮助管理线程之间的协调。CountDownLatch 和 CyclicBarrier 是两种常用的同步工具类，它们虽然功能不同，但都用于线程之间的协调与同步。

1. CountDownLatch 使用场景

CountDownLatch 是一个线程同步工具，它允许一个或多个线程等待其他线程完成一组操作。这种机制非常适用于以下场景：

并行任务的等待：当你有多个子任务需要并行执行，并且在所有子任务完成后再继续执行主任务时，CountDownLatch 是理想的选择。
一次性事件触发：某些场景下，你可能需要在特定数量的操作完成后触发某个事件，比如多线程的初始化工作。

代码示例：并行任务的等待

import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class CountDownLatchExample {private static final int TASK_COUNT = 3;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CountDownLatch latch = new CountDownLatch(TASK_COUNT);for (int i = 0; i < TASK_COUNT; i++) {new Thread(new Task(latch)).start();}// 等待所有任务完成latch.await();System.out.println("所有任务已完成，继续主线程工作");}static class Task implements Runnable {private final CountDownLatch latch;Task(CountDownLatch latch) {this.latch = latch;}@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行任务...");// 模拟任务耗时操作try {Thread.sleep(2000);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 任务完成");latch.countDown(); // 每个线程完成后将计数器减1}}
}

源码分析

CountDownLatch 的核心在于它维护了一个计数器，该计数器在初始化时设置为指定的数量。每当一个线程完成任务后，会调用 countDown() 方法将计数器减1。当计数器归零时，所有在 await() 方法上等待的线程将继续执行。

public void countDown() {sync.releaseShared(1);
}public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

countDown() 方法：通过 sync.releaseShared(1) 来递减计数器。
await() 方法：调用 sync.acquireSharedInterruptibly(1) 来阻塞当前线程，直到计数器为零。

场景还原

场景一

假设你有一个任务需要从多个数据源中获取数据，并在所有数据都获取到之后进行处理。在这种场景下，CountDownLatch 可以确保主线程在所有数据获取完毕之后再开始处理。

场景二：大数据处理中的分布式计算同步

在大数据处理场景中，通常需要将一个大任务分解为多个小任务，并分布在多个节点上进行计算。每个计算节点在完成自己的部分任务后，都需要等待其他节点完成，然后进行数据的聚合。CyclicBarrier 可以用于这种场景，确保所有节点都完成任务后再继续下一步的聚合处理。

逻辑图：

2. CyclicBarrier 使用场景

CyclicBarrier 也是一个线程同步工具，它允许一组线程相互等待，直到所有线程都到达一个共同的屏障点。与 CountDownLatch 不同，CyclicBarrier 可以在屏障点被释放后再次使用，因此适用于多次使用的场景。

分段任务处理：当任务被分成多个阶段，每个阶段都需要所有线程完成后才能继续下一个阶段时，CyclicBarrier 是最佳选择。
多线程模拟：在模拟多线程同时开始的场景中，比如多线程并发测试。

代码示例：分段任务处理

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class CyclicBarrierExample {private static final int THREAD_COUNT = 3;private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(THREAD_COUNT, () -> {System.out.println("所有任务准备完毕，开始执行下一阶段");});public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {new Thread(new Task()).start();}}static class Task implements Runnable {@Overridepublic void run() {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行第一阶段...");Thread.sleep(1000); // 模拟第一阶段任务barrier.await(); // 等待其他线程完成第一阶段System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行第二阶段...");Thread.sleep(1000); // 模拟第二阶段任务barrier.await(); // 等待其他线程完成第二阶段} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}}
}

源码分析

CyclicBarrier 的内部维护了一个计数器，当所有参与线程都调用 await() 方法并达到屏障点时，计数器归零，并触发 Runnable 任务。

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {return dowait(false, 0L);
}private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {// 计数器减1，直到为0final Generation g = generation;final int index = --count;if (index == 0) {  // 所有线程都已到达nextGeneration();  // 进入下一代return 0;}...} finally {lock.unlock();}
}

await() 方法：通过 dowait 方法实现线程的同步等待，并在计数器归零后重置屏障，进入下一代。
nextGeneration() 方法：重置 count 和 generation，使得屏障可以重新使用。

场景还原

场景一

假设你在开发一个复杂的算法，其分为多个步骤，每个步骤都需要多个线程协同工作并在同一时间点完成。CyclicBarrier 可以确保所有线程都在完成当前步骤后，统一进入下一步骤。

场景二：模拟多人游戏中的回合制同步

在多人在线游戏中，常常需要在回合制游戏中同步所有玩家的行动结果，然后进入下一个回合。例如，多个玩家在同一回合中选择动作，所有玩家的动作都完成后，统一执行这些动作，再进入下一回合。

逻辑图：

   Player1  |
(CyclicBarrier.await)Player2  |
(CyclicBarrier.await)Player3  |
(CyclicBarrier.await)|
+---------------------------+
| 执行本回合的所有玩家动作 |  
+---------------------------+|
+---------------------------+
| 准备下一个回合            |  
+---------------------------+|
(CyclicBarrier.await)

业务逻辑：

每个玩家选择动作并准备好后调用 CyclicBarrier.await()。
当所有玩家都准备好后，游戏服务器执行所有玩家的动作。
进入下一回合，重复上述步骤。

场景三：多线程模拟交易系统的负载测试

在金融交易系统中，经常需要进行负载测试，以模拟高并发情况下系统的表现。假设要模拟多用户同时提交交易请求，可以使用 CyclicBarrier 来同步多个模拟用户，使它们在同一时刻开始交易操作，从而测试系统在高负载下的性能表现。

逻辑图：

   User1  |
(CyclicBarrier.await)User2  |
(CyclicBarrier.await)User3  |
(CyclicBarrier.await)|
+---------------------------+
| 同时提交交易请求          |  
+---------------------------+|
+---------------------------+
| 交易系统处理              |  
+---------------------------+

业务逻辑：