JAVA 多线程编程之CountDownLatch

当多个线程需要协调和同步执行任务时，Java 中的 CountDownLatch（倒计时门闩）是一个常用的工具类。它可以帮助开发者实现线程之间的同步，确保某些线程在其他线程完成任务后再继续执行。本文将介绍 CountDownLatch 的基本原理、用法以及示例代码。

CountDownLatch 的基本原理

CountDownLatch 是基于计数器的原理实现的，它内部维护了一个整型的计数器。创建一个 CountDownLatch 对象时，需要指定一个初始计数值，该计数值表示需要等待的线程数量。每当一个线程完成了其任务，它调用 CountDownLatch 的 countDown() 方法，计数器的值就会减一。当计数器的值变成 0 时，等待的线程就会被唤醒，继续执行它们的任务。

CountDownLatch 的用法

CountDownLatch 在多线程编程中有广泛的应用场景，例如主线程等待所有子线程完成任务后再继续执行，多个线程协同完成一个任务等。以下是 CountDownLatch 的基本用法：

1. 创建 CountDownLatch 对象，并指定初始计数值。

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 初始计数值为 3

1. 创建需要等待的线程，线程完成任务后调用 countDown() 方法。

Runnable task = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 线程任务逻辑
        // ...
        latch.countDown(); // 完成任务后调用 countDown()
    }
};

1. 创建等待线程，等待计数器的值变成 0 后再继续执行。

try {
    latch.await(); // 等待计数器的值变成 0
    // 继续执行需要等待的线程后续逻辑
} catch (InterruptedException e) {
    // 处理中断异常
    e.printStackTrace();
}

CountDownLatch 示例

下面通过一个简单的示例代码来演示 CountDownLatch 的用法。假设有一个需求，需要三个工人协同完成一项任务，主线程需要等待三个工人完成任务后才能继续执行。示例代码如下：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchExample {
    public static void main(String[] args) {
        final int workerCount = 3;
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(workerCount);

        // 创建并启动三个工人线程
        for (int i = 0; i < workerCount; i++) {
            Worker worker = new Worker(latch, "Worker " + (i + 1));
            new Thread(worker).start();
        }

        try {
            System.out.println("Main thread is waiting for workers to finish...");
            latch.await(); // 主线程等待三个工人线程完成任务
            System.out.println("All workers have finished, main thread continues...");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private final CountDownLatch latch;
        private final String name;

        public Worker(CountDownLatch latch, String name) {
            this.latch = latch;
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(name + " starts working...");
            // 模拟工作耗时
            try {
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(name + " finishes working.");
            latch.countDown(); // 工人完成任务后调用 countDown()
        }
    }
}

在上述代码中，首先创建了一个 CountDownLatch 对象，并指定初始计数值为 3。然后创建了三个工人线程并启动，每个工人线程模拟完成一项工作后调用 countDown() 方法，计数器的值减一。最后，主线程调用 await() 方法等待计数器的值变成 0，表示所有工人都完成任务后再继续执行。

运行该程序后，输出结果如下：

Worker 1 starts working...  
Worker 2 starts working...  
Worker 3 starts working...  
Main thread is waiting for workers to finish...  
Worker 2 finishes working.  
Worker 1 finishes working.  
Worker 3 finishes working.  
All workers have finished, main thread continues...

可以看到，主线程在三个工人线程完成任务后才继续执行，并且所有工人线程的完成顺序是不确定的，但主线程会一直等待直到所有工人完成任务。

扩展：上面的worker线程运行是没有顺序的，我们可以使用join()来使线程有序等待上一个线程运行结束。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final int workerCount = 3;
    final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(workerCount);
    System.out.println("Main thread is waiting for workers to finish...");
    // 创建并启动三个工人线程
    for (int i = 0; i < workerCount; i++) {
        Worker worker = new Worker(latch, "Worker " + (i + 1));
        Thread t = new Thread(worker);
        t.start();
        t.join(); // 等待上一个线程执行完成
    }
    try {
        latch.await(); // 主线程等待三个工人线程完成任务
        System.out.println("All workers have finished, main thread continues...");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

输出结果：

Main thread is waiting for workers to finish...
Worker 1 starts working...
Worker 1 finishes working.
Worker 2 starts working...
Worker 2 finishes working.
Worker 3 starts working...
Worker 3 finishes working.
All workers have finished, main thread continues...

CountDownLatch 和 join 的作用和使用方式不同。CountDownLatch 用于等待多个线程完成任务后再继续执行，而 join 用于等待一个线程执行完毕后再继续执行。另外，CountDownLatch 是基于计数器的实现，可以灵活地控制线程的数量和完成顺序；而 join 方法只能等待单个线程执行完毕。

总结

CountDownLatch 是一个非常实用的线程同步工具，在多线程编程中有着广泛的应用。它基于计数器的原理实现，通过等待计数器的值变成 0 来实现线程的同步和协作。在使用 CountDownLatch 时，需要注意初始计数值的设定和 countDown() 和 await() 方法的使用。 本文介绍了 CountDownLatch 的基本原理和用法，并通过示例代码演示了它的使用。希望本文能够帮助读者更好地理解和应用 CountDownLatch，在实际的项目中提高多线程编程的效率和质量。