一文搞懂四种同步工具类

CountDownLatch

解释：

CountDownLatch相当于一个门闩，门闩上挂了N把锁。只有N把锁都解开的话，门才会打开。怎么理解呢？我举一个赛跑比赛的例子，赛跑比赛中必须等待所有选手都准备好了，裁判才能开发令枪。选手才可以开始跑。

CountDownLatch当中主要有两个方法，一个是await()会挂上锁阻塞当前线程，相当于裁判站在起始点等待，等待各位选手准备就绪，一个是countDown方法用于解锁，相当于选手准备好了之后调用countDown方法告诉裁判自己准备就绪，当所有人都准备好了之后裁判开发令枪。

代码：

public class TestCountDownLatch {
    public static void main(String[] args) {
        // 需要等待两个线程，所以传入参数为2
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
        // 该线程运行1秒
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("1号选手准备就绪！用时1秒！");
                latch.countDown();
            }
        }).start();
        
        // 该线程运行3秒
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("2号选手准备就绪！用时3秒！");
                latch.countDown();
            }
        }).start();
        
        try {
            System.out.println("请1号选手和2号选手各就各位！");
            // 主线程在此等待两个线程执行完毕之后继续执行
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 两个线程执行完毕后，主线程恢复运行
        System.out.println("裁判发枪，1号选手和2号选手开跑！");
    }
}

运行结果：

请1号选手和2号选手各就各位！
1号选手准备就绪！用时1秒！
2号选手准备就绪！用时3秒！
裁判发枪，1号选手和2号选手开跑！

如果去掉CountDownLatch的效果呢？运行结果就会变成如下：

请1号选手和2号选手各就各位！
裁判发枪，1号选手和2号选手开跑！
1号选手准备就绪！用时1秒！
2号选手准备就绪！用时3秒！

裁判就会在选手还未准备就绪的时候开发令枪，这就乱套了。
其实CountDownLatch一个最简单的用处就是计算多线程执行完毕时的时间。像刚才的例子当中两个线程并行执行了共花费了3秒钟。

CyclicBarrier

解释：

CyclicBarrier就像一个栅栏，将各个线程拦住。Cyclic是循环的英文，表明该工具可以进行循环使用。CyclicBarrier(N)的构造参数表明该一共有几个线程需要互相等待。它相当于N个选手约定进行多次比赛，每次比赛完都要在起跑点互相等待。

读者可能会马上疑惑这不是和CountDownLatch一样吗？不一样。因为CountDownLatch是裁判等待选手，是调用await()方法的线程，等待调用countDown()方法的各个线程。而CyclicBarrier是选手等待选手，是调用await()方法的线程互相等待，等待其他线程都运行好之后，再开始下一轮运行。

我们举一个例子，两个选手进行比赛，一共进行三轮比赛。

代码：

public class TestCyclicBarrier {
    // 1号选手跑的轮数
    public static int countA = 1;
    // 2号选手跑的轮数
    public static int countB = 1;
    public static void main(String[] args) {
        // 填入2,代表2个线程互相等待
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2);

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 一共跑三轮
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    System.out.println("1号选手开始跑！当前第" + countA++ + "轮比赛！");
                    // 1号选手跑得慢，每次跑三秒
                    try {
                        Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    try {
                        System.out.println("1号选手抵达终点！");
                        // 调用等待方法，在此等待其他选手
                        barrier.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }).start();


        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 一共等待三轮
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    System.out.println("2号选手开始跑！当前第" + countB++ + "轮比赛！");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    try {
                        System.out.println("2号选手抵达终点！");
                        // 调用等待方法，在此等待其他选手
                        barrier.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }).start();
    }

}

运行结果:

1号选手开始跑！当前第1轮比赛！
2号选手开始跑！当前第1轮比赛！
2号选手抵达终点！
1号选手抵达终点！
1号选手开始跑！当前第2轮比赛！
2号选手开始跑！当前第2轮比赛！
2号选手抵达终点！
1号选手抵达终点！
1号选手开始跑！当前第3轮比赛！
2号选手开始跑！当前第3轮比赛！
2号选手抵达终点！
1号选手抵达终点！

每轮比赛1号选手和2号选手都会回到起跑线互相等待，再开启下一轮比赛。

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如果不加CyclicBarrier呢？

1号选手开始跑！当前第1轮比赛！
2号选手开始跑！当前第1轮比赛！
2号选手抵达终点！
2号选手开始跑！当前第2轮比赛！
2号选手抵达终点！
2号选手开始跑！当前第3轮比赛！
1号选手抵达终点！
1号选手开始跑！当前第2轮比赛！
2号选手抵达终点！
1号选手抵达终点！
1号选手开始跑！当前第3轮比赛！
1号选手抵达终点！

此时2号选手就直接跑完三轮比赛，不等1号选手了。

Semaphore

Semaphore英文的字面意思是信号量。它的工作机制是每个线程想要获取运行的机会的话，都必须获取到信号量。acquire()方法阻塞的获取信号量，release()释放信号量。

举个例子，假设我们去迪士尼游玩，但是迪士尼担心游客很多的话，影响大家的游玩体验，于是规定每个小时只能卖出两张门票。这样就可以控制在游乐园当中的游客数量了。

代码：

public class TestSemaphore {

    public static void main(String[] args) {

        Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
        System.out.println("顾客在售票处等候中");
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (; ; ) {
                    try {
                        Thread.sleep(500);
                        // 等待出票
                        semaphore.acquire();
                        System.out.println("顾客拿到门票入场！");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    try {
                        // 等待一小时再发门票
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    // 一次性发出两张门票
                    System.out.println("售票处第" + (i + 1) + "小时售出两张票！");
                    semaphore.release();
                    semaphore.release();
                }
            }
        }).start();

        System.out.println("售票处开始售票！");
    }
}

运行结果：

顾客在售票处等候中...
售票处开始售票！
售票处第1小时售出两张票！
顾客拿到门票入场！
顾客拿到门票入场！
售票处第2小时售出两张票！
顾客拿到门票入场！
顾客拿到门票入场！
售票处第3小时售出两张票！
顾客拿到门票入场！
顾客拿到门票入场！

Exchanger

解释：

Exchanger提供了让两个线程互相交换数据的同步点。Exchanger有点像2个线程的CyclicBarrier，线程之间都是互相等待，区别在于Exchanger多了交换的操作。

举个例子好比以前玩网游的时候，买家和卖家必须走到地图上同一地点面对面进行交易一样，一手交钱一手交装备。

代码：

public class TestExchanger {
    public static void main(String[] args) {
        Exchanger exchanger = new Exchanger<>();
        
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                String weapon = "装备";
                System.out.println("我是卖家，我带着" + weapon + "过来了！");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("卖家到达地图上交易地点");
                try {
                    System.out.println("我是卖家，换回了" + exchanger.exchange(weapon));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                String money = "一万游戏币";
                System.out.println("我是买家，我带着" + money + "过来了");
                try {
                    Thread.sleep(4000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("买家到达地图上交易地点");
                try {
                    System.out.println("我是买家，换回了" + exchanger.exchange(money));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }).start();
    }

运行结果：

我是卖家，我带着装备过来了！
我是买家，我带着一万游戏币过来了
卖家达到交易地点
买家到达交易地点
我是买家，换回了装备
我是卖家，换回了一万游戏币