個(gè)人主頁： 進(jìn)朱者赤

阿里非典型程序員一枚 ，記錄平平無奇程序員在大廠的打怪升級(jí)之路。 一起學(xué)習(xí)Java、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法（公眾號(hào)同名）

引言

在Java中，并發(fā)編程一直是一個(gè)重要的領(lǐng)域，而JDK 8中的java.util.concurrent（JUC）包提供了豐富的同步工具類，幫助開發(fā)者更加高效地處理并發(fā)問題。本文將分層次、分邏輯地介紹這些同步工具類的底層實(shí)現(xiàn)原理、使用方法和源碼解析，并給出使用注意事項(xiàng)。

一、Semaphore（信號(hào)量）

1. 簡介

Semaphore是一種同步工具，它允許一定數(shù)量的線程同時(shí)訪問共享資源。通過控制信號(hào)量的許可數(shù)量，Semaphore能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)共享資源的并發(fā)訪問限制。

2. 適用場景

Semaphore適用于需要限制并發(fā)訪問共享資源數(shù)量的場景。例如，數(shù)據(jù)庫連接池中的連接數(shù)控制，防止過多的請求同時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫；或者在分布式系統(tǒng)中限制某個(gè)服務(wù)能夠處理的并發(fā)請求數(shù)，以保證服務(wù)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

3. 使用

Semaphore semaphore = new Semaphore(5); // 初始化信號(hào)量為5
semaphore.acquire(); // 獲取一個(gè)許可，若信號(hào)量為0則阻塞
// 訪問共享資源
semaphore.release(); // 釋放一個(gè)許可

4. 內(nèi)部原理及源碼解讀

內(nèi)部原理

Semaphore基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）實(shí)現(xiàn)，它維護(hù)了一個(gè)許可計(jì)數(shù)器。當(dāng)線程調(diào)用acquire()方法時(shí)，如果許可計(jì)數(shù)器大于0，則直接返回；否則線程會(huì)被加入等待隊(duì)列并阻塞。當(dāng)線程調(diào)用release()方法時(shí)，許可計(jì)數(shù)器加一，并嘗試喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)線程。

源碼解讀

Semaphore內(nèi)部有一個(gè)類Sync，它繼承了AbstractQueuedSynchronizer。Sync有兩個(gè)子類：FairSync和NonfairSync，分別用于處理公平和非公平策略。

// Semaphore的構(gòu)造方法
public Semaphore(int permits) {sync = new NonfairSync(permits);
}public Semaphore(int permits, boolean fair) {sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

在NonfairSync或FairSync中，會(huì)重寫AQS的tryAcquire和tryRelease等方法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)許可計(jì)數(shù)器的增減操作以及線程的同步。

5. 注意事項(xiàng)

• 使用Semaphore時(shí)，要確保釋放的許可數(shù)量與獲取的數(shù)量相匹配，避免造成死鎖或資源泄漏。
• 在高并發(fā)場景下，要合理設(shè)置信號(hào)量的初始值，以平衡資源利用率和并發(fā)性能。

---

二、CountDownLatch（倒計(jì)時(shí)鎖）

1. 簡介

CountDownLatch是一種同步工具，它允許一個(gè)或多個(gè)線程等待其他線程完成操作。通過維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器減至0時(shí)，等待的線程將被喚醒。

2. 適用場景

CountDownLatch適用于需要等待一組線程完成某個(gè)任務(wù)后再繼續(xù)執(zhí)行的場景。例如，在啟動(dòng)多個(gè)線程進(jìn)行并行計(jì)算時(shí)，可以使用CountDownLatch來等待所有線程計(jì)算完成后，主線程再進(jìn)行匯總處理。

3. 使用

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5); // 初始化計(jì)數(shù)器為5
// ...其他線程執(zhí)行操作，每完成一個(gè)操作調(diào)用latch.countDown()
latch.await(); // 當(dāng)前線程等待，直到計(jì)數(shù)器減至0

4. 內(nèi)部原理及源碼解讀

內(nèi)部原理

CountDownLatch同樣基于AQS實(shí)現(xiàn)，它維護(hù)了一個(gè)計(jì)數(shù)器。當(dāng)線程調(diào)用countDown()方法時(shí)，計(jì)數(shù)器減一；當(dāng)計(jì)數(shù)器減至0時(shí)，AQS會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的所有線程。

源碼解讀

CountDownLatch的核心在于AQS的state變量，它代表了計(jì)數(shù)器的值。

// CountDownLatch的構(gòu)造方法
public CountDownLatch(int count) {// 初始化計(jì)數(shù)器sync = new Sync(count);
}// Sync是CountDownLatch的內(nèi)部類，繼承了AQS
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {private static final long serialVersionUID = 498226498192269037L;Sync(int count) {setState(count); // 設(shè)置AQS的state為初始計(jì)數(shù)器值}// ...其他方法，如tryAcquireShared等
}

在tryAcquireShared方法中，會(huì)檢查計(jì)數(shù)器的值是否為0，如果是則直接返回表示可以獲取共享資源，否則將當(dāng)前線程加入等待隊(duì)列。當(dāng)countDown方法被調(diào)用時(shí)，會(huì)調(diào)用releaseShared方法減少計(jì)數(shù)器的值，并嘗試喚醒等待隊(duì)列中的線程。

5. 注意事項(xiàng)

• 在使用CountDownLatch時(shí)，要確保所有需要等待的線程都調(diào)用了countDown()方法，并且計(jì)數(shù)器的初始值設(shè)置正確。
• 等待線程在調(diào)用await()方法后會(huì)被阻塞，直到計(jì)數(shù)器減至0，因此要避免在等待過程中執(zhí)行耗時(shí)操作或阻塞操作。

---

三、CyclicBarrier（循環(huán)柵欄）

1. 簡介

CyclicBarrier是一種同步工具，它允許一組線程互相等待，直到所有線程都到達(dá)某個(gè)公共屏障點(diǎn)（barrier point）。一旦所有線程都到達(dá)屏障點(diǎn)，它們可以繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。

2. 適用場景

CyclicBarrier適用于需要將一組線程分割成多個(gè)階段，并在每個(gè)階段完成后進(jìn)行匯總或協(xié)調(diào)的場景。例如，在多個(gè)線程協(xié)同完成一個(gè)復(fù)雜任務(wù)時(shí)，每個(gè)線程負(fù)責(zé)不同的子任務(wù)，當(dāng)所有線程都完成各自子任務(wù)后，再進(jìn)行下一步操作。

3. 使用

CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5); // 初始化柵欄，需要5個(gè)線程到達(dá)
// ...多個(gè)線程執(zhí)行操作，到達(dá)屏障點(diǎn)時(shí)調(diào)用cyclicBarrier.await()
cyclicBarrier.await(); // 當(dāng)前線程等待，直到所有線程都到達(dá)屏障點(diǎn)

4. 內(nèi)部原理及源碼解讀

內(nèi)部原理：

CyclicBarrier內(nèi)部使用了鎖和條件變量來實(shí)現(xiàn)線程間的同步。當(dāng)線程到達(dá)屏障點(diǎn)時(shí)，首先檢查是否有足夠的線程到達(dá)，如果有則繼續(xù)執(zhí)行；否則將線程加入等待隊(duì)列并阻塞。當(dāng)最后一個(gè)線程到達(dá)屏障點(diǎn)時(shí)，喚醒所有等待的線程。

源碼解讀：

CyclicBarrier的核心在于其內(nèi)部類Generation，它代表了屏障的某個(gè)周期。每個(gè)Generation都有一個(gè)計(jì)數(shù)器來記錄到達(dá)屏障點(diǎn)的線程數(shù)量。

// CyclicBarrier的構(gòu)造方法
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {this.parties = parties;this.count = parties;this.barrierCommand = barrierAction;this.lock = new ReentrantLock();this.condition = lock.newCondition();this.generation = new Generation();
}// Generation內(nèi)部類
private static class Generation {boolean broken = false;int index = 0;
}

在await方法中，線程會(huì)首先嘗試獲取鎖，然后檢查當(dāng)前Generation的計(jì)數(shù)器是否為0。如果不為0，則線程會(huì)加入等待隊(duì)列并阻塞。當(dāng)最后一個(gè)線程到達(dá)屏障點(diǎn)時(shí)，它會(huì)修改Generation的計(jì)數(shù)器并喚醒等待隊(duì)列中的所有線程。

5. 注意事項(xiàng)

• 在使用CyclicBarrier時(shí)，要確保所有線程都正確調(diào)用了await()方法，并且屏障點(diǎn)的線程數(shù)量設(shè)置正確。
• 如果在等待過程中發(fā)生異常或中斷，CyclicBarrier可能會(huì)處于不一致狀態(tài)，因此需要妥善處理異常和中斷情況。

---

四、Phaser（階段執(zhí)行器）

1. 簡介

Phaser是一種更靈活的同步工具，它提供了對(duì)一組線程進(jìn)行分階段同步的能力。Phaser允許線程注冊、到達(dá)、等待和觸發(fā)不同的階段，非常適合用于需要?jiǎng)討B(tài)管理線程階段執(zhí)行的場景。

2. 適用場景

Phaser適用于那些需要將線程劃分為多個(gè)階段，并在每個(gè)階段結(jié)束時(shí)執(zhí)行特定操作的情況。例如，在多階段任務(wù)中，每個(gè)階段可能需要不同的線程數(shù)量，且階段的完成條件可能不同。使用Phaser，可以方便地對(duì)這些階段進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)。

3. 使用

使用Phaser時(shí)，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Phaser實(shí)例，并注冊參與線程。然后，在每個(gè)階段，線程可以調(diào)用arriveAndAwaitAdvance()方法來表示它們已經(jīng)完成了當(dāng)前階段的工作，并等待其他線程完成。當(dāng)所有線程都到達(dá)當(dāng)前階段時(shí)，Phaser會(huì)觸發(fā)階段轉(zhuǎn)換，并允許線程進(jìn)入下一個(gè)階段。

4. 內(nèi)部原理及源碼解讀

內(nèi)部原理

Phaser內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，包括當(dāng)前階段數(shù)、已注冊的參與者數(shù)量、已到達(dá)的參與者數(shù)量等。每個(gè)線程在Phaser中都有一個(gè)到達(dá)點(diǎn)，當(dāng)所有線程都到達(dá)當(dāng)前階段時(shí)，Phaser會(huì)觸發(fā)階段轉(zhuǎn)換，并允許線程進(jìn)入下一個(gè)階段。

源碼解讀

Phaser的源碼相對(duì)復(fù)雜，它涉及到了大量的狀態(tài)和計(jì)數(shù)器管理。其中，register方法用于注冊參與者，arriveAndAwaitAdvance方法用于表示線程到達(dá)當(dāng)前階段并等待其他線程。在arriveAndAwaitAdvance方法中，會(huì)檢查當(dāng)前階段是否已經(jīng)完成，如果沒有則增加已到達(dá)的參與者數(shù)量，并可能觸發(fā)階段轉(zhuǎn)換。

深入理解Phaser的實(shí)現(xiàn)原理，查看和分析其源碼是非常有幫助的。由于Phaser的源碼較長且復(fù)雜，這里我聚焦于其核心機(jī)制，而不是完整的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

public class Phaser {// 表示參與者的數(shù)量，以及到達(dá)的參與者數(shù)量等狀態(tài)信息private final AtomicLong state;// 用于等待/通知的鎖private final Object lock;// 構(gòu)造函數(shù)，初始化Phaserpublic Phaser() {state = new AtomicLong(Phaser.INITIAL_STATE);lock = new Object();}// 注冊一個(gè)新的參與者，或者為已注冊的參與者增加數(shù)量public void register() {// ... 省略具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) ...}// 參與者到達(dá)某個(gè)階段，并可能等待其他參與者public int arrive() throws InterruptedException {// ... 省略具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) ...return phase;}// 參與者到達(dá)并等待其他參與者，同時(shí)推進(jìn)到下一個(gè)階段public int awaitAdvance(int phase) throws InterruptedException {// ... 省略具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) ...return nextPhase;}// ... 其他方法，如deregister, arriveAndDeregister, bulkRegister, getPhase, getRegisteredParties等 ...// 內(nèi)部狀態(tài)表示，包含參與者數(shù)量和當(dāng)前階段等信息private static final long UNSET = -1L; // 用于表示未設(shè)置的值private static final long TERMINATED = Long.MAX_VALUE; // 表示Phaser已經(jīng)終止private static final int MAX_PHASE = Integer.MAX_VALUE; // 最大階段數(shù)private static final int PARTIES_MASK = 0xffff; // 參與者數(shù)量的掩碼private static final int PHASE_MASK = ~PARTIES_MASK; // 階段數(shù)的掩碼private static final long INITIAL_STATE = (UNSET & PHASE_MASK) | (0 & PARTIES_MASK); // 初始狀態(tài)// ... 其他內(nèi)部方法和變量 ...
}

上面的代碼只是一個(gè)框架，實(shí)際的Phaser實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜得多。不過，通過這個(gè)框架，我們可以了解Phaser的一些核心組成部分：

• 狀態(tài)維護(hù)：Phaser使用一個(gè)AtomicLong類型的state變量來維護(hù)其內(nèi)部狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)包含了當(dāng)前階段數(shù)、已注冊的參與者數(shù)量以及已到達(dá)的參與者數(shù)量等信息。通過使用位操作和掩碼，Phaser能夠在單個(gè)原子變量中高效地存儲(chǔ)和更新這些信息。

• 注冊與到達(dá)：register()方法用于注冊新的參與者或增加已注冊參與者的數(shù)量。arrive()方法用于表示參與者已經(jīng)完成了當(dāng)前階段的工作，并可能等待其他參與者。這些方法會(huì)更新state變量中的相應(yīng)信息，并根據(jù)需要喚醒等待的線程。

• 等待與推進(jìn)：awaitAdvance()方法用于等待其他參與者到達(dá)當(dāng)前階段，并一起進(jìn)入下一個(gè)階段。這個(gè)方法會(huì)根據(jù)state變量的狀態(tài)來決定是否需要阻塞調(diào)用線程。當(dāng)所有參與者都到達(dá)當(dāng)前階段時(shí)，Phaser會(huì)更新state變量以推進(jìn)到下一個(gè)階段，并喚醒所有等待的線程。

• 中斷與超時(shí)：實(shí)際的Phaser實(shí)現(xiàn)還支持響應(yīng)中斷和超時(shí)。這意味著如果線程在等待過程中被中斷或超過指定的等待時(shí)間，它可以從等待狀態(tài)中退出。這些特性是通過在內(nèi)部使用鎖和其他同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。

5. 注意事項(xiàng)

• 在使用Phaser時(shí)，需要確保正確管理線程的注冊和注銷，避免在階段轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)不一致的情況。
• Phaser的靈活性也帶來了一定的復(fù)雜性，因此在使用時(shí)需要深入理解其工作原理和使用方法，以避免出現(xiàn)錯(cuò)誤或性能問題。

---

總結(jié)

橫向?qū)Ρ?/h3>

以下是以表格形式總結(jié)的JDK 8中JUC包中的Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier和Phaser這四個(gè)同步工具類：

工具類	主要用途	內(nèi)部原理	使用場景
Semaphore	控制訪問某個(gè)或多個(gè)共享資源的線程數(shù)量	基于AQS實(shí)現(xiàn)，維護(hù)一個(gè)許可計(jì)數(shù)器	需要限制并發(fā)訪問共享資源的場景，如連接池、線程池等
CountDownLatch	允許一個(gè)或多個(gè)線程等待其他線程完成操作	基于AQS實(shí)現(xiàn)，維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器	用于協(xié)調(diào)一組線程的執(zhí)行順序，例如啟動(dòng)多個(gè)線程并行處理任務(wù)，并在所有任務(wù)完成后執(zhí)行匯總操作
CyclicBarrier	讓一組線程互相等待，直到所有線程都到達(dá)某個(gè)公共屏障點(diǎn)	使用鎖和條件變量實(shí)現(xiàn)，維護(hù)屏障的周期和計(jì)數(shù)器	需要一組線程在某個(gè)點(diǎn)相互等待的場景，如并行計(jì)算中的初始化、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備等
Phaser	提供對(duì)一組線程進(jìn)行分階段同步的能力	維護(hù)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，包括階段數(shù)、參與者數(shù)量和到達(dá)點(diǎn)	適用于需要將線程劃分為多個(gè)階段，并在每個(gè)階段結(jié)束時(shí)執(zhí)行特定操作的場景，如多階段任務(wù)處理

常見面試題

在面試中，關(guān)于JDK 8中JUC包中Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier和Phaser這四個(gè)同步工具類的使用場景，可以提出以下面試題：

Semaphore使用場景面試題：

• 請描述一個(gè)你曾經(jīng)使用Semaphore解決并發(fā)問題的場景。你是如何確定需要的許可數(shù)量的？
• 在高并發(fā)環(huán)境下，如何使用Semaphore來限制對(duì)某個(gè)共享資源的訪問數(shù)量？

CountDownLatch使用場景面試題：

• 假設(shè)你正在開發(fā)一個(gè)需要等待多個(gè)線程完成初始化操作的系統(tǒng)，你會(huì)如何使用CountDownLatch來實(shí)現(xiàn)？
• 請分享一個(gè)你使用CountDownLatch協(xié)調(diào)多個(gè)線程執(zhí)行順序的實(shí)例，并解釋其工作原理。

CyclicBarrier使用場景面試題：

• 描述一個(gè)適合使用CyclicBarrier的場景，并解釋為什么它比其他同步工具類更適合這個(gè)場景。
• 在一個(gè)多線程任務(wù)中，你需要在所有線程都完成某個(gè)階段后才能進(jìn)行下一階段，你會(huì)如何使用CyclicBarrier來實(shí)現(xiàn)？

Phaser使用場景面試題：

• 請描述一個(gè)需要使用Phaser進(jìn)行分階段同步的場景，并解釋Phaser在這個(gè)場景中的優(yōu)勢。
• 假設(shè)你正在開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的多階段任務(wù)，每個(gè)階段需要不同數(shù)量的線程來完成，你會(huì)如何使用Phaser來管理這些線程的執(zhí)行？

這些面試題旨在了解候選人對(duì)這些同步工具類應(yīng)用場景的理解以及實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。通過回答這些問題，候選人可以展示他們對(duì)并發(fā)編程和JUC工具類的熟悉程度，以及解決實(shí)際問題的能力。

---

這些工具類都提供了靈活的同步機(jī)制，可以幫助開發(fā)者更好地控制和管理并發(fā)程序的執(zhí)行。根據(jù)具體的使用場景和需求，可以選擇合適的工具類來實(shí)現(xiàn)線程同步和協(xié)調(diào)。
以上就是JDK 8中JUC包中Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier和Phaser這四個(gè)同步工具類的詳細(xì)介紹。每個(gè)類都有其獨(dú)特的使用場景和內(nèi)部原理，了解并正確使用這些工具類，可以大大提高并發(fā)編程的效率和穩(wěn)定性。

歡迎一鍵三連(關(guān)注+點(diǎn)贊+收藏)，技術(shù)的路上一起加油！！！代碼改變世界

• 關(guān)于我：阿里非典型程序員一枚 ，記錄平平無奇程序員在大廠的打怪升級(jí)之路。 一起學(xué)習(xí)Java、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法（公眾號(hào)同名）

??歡迎關(guān)注下面的公眾號(hào)：進(jìn)朱者赤，認(rèn)識(shí)不一樣的技術(shù)人。??