介绍Java并发工具类CountDownLatch和CyclicBarrier的用途和工作原理？

Question

介绍Java并发工具类CountDownLatch和CyclicBarrier的用途和工作原理。

Answer 1

CountDownLatch

用途： CountDownLatch 是一种并发协作工具类，主要用于实现线程间的同步，允许一个或多个线程（称为“参与者”）等待其他线程（称为“工作者”）完成一组指定的操作后才能继续执行。常见应用场景包括：

启动同步：例如，在一个多线程应用程序启动时，主线程等待所有子线程初始化完成后再继续执行后续操作。
批处理任务：当一批独立的任务需要全部完成后才能进行整体处理或汇总结果时，可以使用 CountDownLatch 来确保所有任务都已完成。
服务依赖：在分布式系统中，某个服务可能依赖于其他多个服务的启动完成，CountDownLatch 可以用来实现这些服务启动的同步等待。

工作原理： CountDownLatch 内部维护了一个计数器（整数值），在构造时设置其初始值。当一个线程调用 countDown() 方法时，计数器减一。如果计数器值原本大于零，则减一后继续等待。当其他线程调用 await() 方法时，该线程将阻塞，直到计数器值为零。这意味着所有预期的 countDown() 调用都已经发生。一旦计数器减至零，所有因调用 await() 而阻塞的线程将被释放，可以继续执行。

特点：

一次性：CountDownLatch 是一次性使用的同步辅助类，计数器减至零后就不能再重置。
不可逆：计数器只能递减，不能增加。一旦计数器值达到零，无法恢复到非零状态。
无循环特性：CountDownLatch 不具备循环等待的能力，即达到屏障条件后，等待的线程不会再次进入等待状态。

CyclicBarrier

用途： CyclicBarrier 是另一种并发协作工具类，主要用于协调一组线程在某个屏障点同步汇合，当所有参与线程都到达屏障点后，它们才能继续执行后续操作。适用于以下场景：

并行计算的阶段划分：在多阶段计算任务中，每个阶段由一组线程并行执行，当所有线程完成当前阶段后，需要等待所有线程都到达屏障点，然后一起开始下一阶段的计算。
数据合并或汇总：多个线程各自处理一部分数据，处理完成后在屏障点等待，直到所有线程都完成处理，然后一起进行全局数据的合并或结果汇总。
游戏或模拟环境中的回合制同步：在多线程游戏中，各线程代表不同的角色或实体，需要在每一轮结束时同步状态，等待所有参与者都准备好后开始下一轮。

工作原理： CyclicBarrier 内部同样维护一个计数器，但其值始终等于参与线程的数量。每个参与线程调用 await() 方法时，计数器减一。当计数器减至零时，屏障开放，所有之前因调用 await() 而阻塞的线程将被释放，同时触发一个可选的栅栏动作（通过构造时提供的 Runnable 实现）。随后计数器被重置到初始值，准备下一轮的同步等待。

特点：

可重用：CyclicBarrier 可以重复使用，每当所有线程都到达屏障点并完成栅栏动作后，计数器会自动重置，可以用于下一轮的同步。
循环等待：CyclicBarrier 具有循环等待的特性，线程可以在完成一次同步后继续参与下一次同步。
栅栏动作：CyclicBarrier 提供了在所有线程到达屏障点时执行额外操作的能力，这是一个可选的回调机制，用于在同步点执行一些共同的操作，如数据交换、状态更新等。

总结来说，CountDownLatch 和 CyclicBarrier 都是用于线程同步的工具，但它们的应用场景和工作方式有所不同。CountDownLatch 通常用于一次性等待多个线程完成某项任务后继续执行，而 CyclicBarrier 则更适用于一组线程反复在特定点同步，执行一系列相互依赖的任务，并且在每次同步后可以复用。