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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之路。 一起學習Java、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法（公眾號同名）

引言

在Java中，并發(fā)編程一直是一個重要的領(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現(xiàn)原理、使用方法和源碼解析，并給出使用注意事項。

一、Semaphore（信號量）

1. 簡介

Semaphore是一種同步工具，它允許一定數(shù)量的線程同時訪問共享資源。通過控制信號量的許可數(shù)量，Semaphore能夠?qū)崿F(xiàn)對共享資源的并發(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訪問數(shù)據(jù)庫；或者在分布式系統(tǒng)中限制某個服務(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); // 初始化信號量為5
semaphore.acquire(); // 獲取一個許可，若信號量為0則阻塞
// 訪問共享資源
semaphore.release(); // 釋放一個許可

4. 內(nèi)部原理及源碼解讀

內(nèi)部原理

Semaphore基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）實現(xiàn)，它維護了一個許可計數(shù)器。當線程調(diào)用acquire()方法時，如果許可計數(shù)器大于0，則直接返回；否則線程會被加入等待隊列并阻塞。當線程調(diào)用release()方法時，許可計數(shù)器加一，并嘗試喚醒等待隊列中的一個線程。

源碼解讀

Semaphore內(nèi)部有一個類Sync，它繼承了AbstractQueuedSynchronizer。Sync有兩個子類：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，會重寫AQS的tryAcquire和tryRelease等方法，來實現(xiàn)對許可計數(shù)器的增減操作以及線程的同步。

5. 注意事項

• 使用Semaphore時，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)置信號量的初始值，以平衡資源利用率和并發(fā)性能。

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二、CountDownLatch（倒計時鎖）

1. 簡介

CountDownLatch是一種同步工具，它允許一個或多個線程等待其他線程完成操作。通過維護一個計數(shù)器，當計數(shù)器減至0時，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任務(wù)后再繼續(xù)執(zhí)行的場景。例如，在啟動多個線程進行并行計算時，可以使用CountDownLatch來等待所有線程計算完成后，主線程再進行匯總處理。

3. 使用

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5); // 初始化計數(shù)器為5
// ...其他線程執(zhí)行操作，每完成一個操作調(diào)用latch.countDown()
latch.await(); // 當前線程等待，直到計數(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實現(xiàn)，它維護了一個計數(shù)器。當線程調(diào)用countDown()方法時，計數(shù)器減一；當計數(shù)器減至0時，AQS會喚醒等待隊列中的所有線程。

源碼解讀

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

// CountDownLatch的構(gòu)造方法
public CountDownLatch(int count) {// 初始化計數(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為初始計數(shù)器值}// ...其他方法，如tryAcquireShared等
}

在tryAcquireShared方法中，會檢查計數(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，否則將當前線程加入等待隊列。當countDown方法被調(diào)用時，會調(diào)用releaseShared方法減少計數(shù)器的值，并嘗試喚醒等待隊列中的線程。

5. 注意事項

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

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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某個公共屏障點（barrier point）。一旦所有線程都到達屏障點，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階段，并在每個階段完成后進行匯總或協(xié)調(diào)的場景。例如，在多個線程協(xié)同完成一個復雜任務(wù)時，每個線程負責不同的子任務(wù)，當所有線程都完成各自子任務(wù)后，再進行下一步操作。

3. 使用

CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5); // 初始化柵欄，需要5個線程到達
// ...多個線程執(zhí)行操作，到達屏障點時調(diào)用cyclicBarrier.await()
cyclicBarrier.await(); // 當前線程等待，直到所有線程都到達屏障點

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現(xiàn)線程間的同步。當線程到達屏障點時，首先檢查是否有足夠的線程到達，如果有則繼續(xù)執(zhí)行；否則將線程加入等待隊列并阻塞。當最后一個線程到達屏障點時，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周期。每個Generation都有一個計數(shù)器來記錄到達屏障點的線程數(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，線程會首先嘗試獲取鎖，然后檢查當前Generation的計數(shù)器是否為0。如果不為0，則線程會加入等待隊列并阻塞。當最后一個線程到達屏障點時，它會修改Generation的計數(shù)器并喚醒等待隊列中的所有線程。

5. 注意事項

• 在使用CyclicBarrier時，要確保所有線程都正確調(diào)用了await()方法，并且屏障點的線程數(shù)量設(shè)置正確。
• 如果在等待過程中發(fā)生異?；蛑袛?#xff0c;CyclicBarrier可能會處于不一致狀態(tài)，因此需要妥善處理異常和中斷情況。

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四、Phaser（階段執(zhí)行器）

1. 簡介

Phaser是一種更靈活的同步工具，它提供了對一組線程進行分階段同步的能力。Phaser允許線程注冊、到達、等待和觸發(fā)不同的階段，非常適合用于需要動態(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階段，并在每個階段結(jié)束時執(zhí)行特定操作的情況。例如，在多階段任務(wù)中，每個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，可以方便地對這些階段進行管理和協(xié)調(diào)。

3. 使用

使用Phaser時，首先需要創(chuàng)建一個Phaser實例，并注冊參與線程。然后，在每個階段，線程可以調(diào)用arriveAndAwaitAdvance()方法來表示它們已經(jīng)完成了當前階段的工作，并等待其他線程完成。當所有線程都到達當前階段時，Phaser會觸發(fā)階段轉(zhuǎn)換，并允許線程進入下一個階段。

4. 內(nèi)部原理及源碼解讀

內(nèi)部原理

Phaser內(nèi)部維護了一個復雜的狀態(tài)機，包括當前階段數(shù)、已注冊的參與者數(shù)量、已到達的參與者數(shù)量等。每個線程在Phaser中都有一個到達點，當所有線程都到達當前階段時，Phaser會觸發(fā)階段轉(zhuǎn)換，并允許線程進入下一個階段。

源碼解讀

Phaser的源碼相對復雜，它涉及到了大量的狀態(tài)和計數(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當前階段并等待其他線程。在arriveAndAwaitAdvance方法中，會檢查當前階段是否已經(jīng)完成，如果沒有則增加已到達的參與者數(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的源碼較長且復雜，這里我聚焦于其核心機制，而不是完整的實現(xiàn)細節(jié)。

public class Phaser {// 表示參與者的數(shù)量，以及到達的參與者數(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() {// ... 省略具體的實現(xiàn)細節(jié) ...}// 參與者到達某個階段，并可能等待其他參與者public int arrive() throws InterruptedException {// ... 省略具體的實現(xiàn)細節(jié) ...return phase;}// 參與者到達并等待其他參與者，同時推進到下一個階段public int awaitAdvance(int phase) throws InterruptedException {// ... 省略具體的實現(xiàn)細節(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框架，實際的Phaser實現(xiàn)要復雜得多。不過，通過這個框架，我們可以了解Phaser的一些核心組成部分：

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

• 注冊與到達：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)完成了當前階段的工作，并可能等待其他參與者。這些方法會更新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：awaitAdvance()方法用于等待其他參與者到達當前階段，并一起進入下一個階段。這個方法會根據(jù)state變量的狀態(tài)來決定是否需要阻塞調(diào)用線程。當所有參與者都到達當前階段時，Phaser會更新state變量以推進到下一個階段，并喚醒所有等待的線程。

• 中斷與超時：實際的Phaser實現(xiàn)還支持響應(yīng)中斷和超時。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制來實現(xiàn)的。

5. 注意事項

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

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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	控制訪問某個或多個共享資源的線程數(shù)量	基于AQS實現(xiàn)，維護一個許可計數(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	允許一個或多個線程等待其他線程完成操作	基于AQS實現(xiàn)，維護一個計數(shù)器	用于協(xié)調(diào)一組線程的執(zhí)行順序，例如啟動多個線程并行處理任務(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某個公共屏障點	使用鎖和條件變量實現(xiàn)，維護屏障的周期和計數(shù)器	需要一組線程在某個點相互等待的場景，如并行計算中的初始化、數(shù)據(jù)準備等
Phaser	提供對一組線程進行分階段同步的能力	維護復雜的狀態(tài)機，包括階段數(shù)、參與者數(shù)量和到達點	適用于需要將線程劃分為多個階段，并在每個階段結(jié)束時執(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來限制對某個共享資源的訪問數(shù)量？

CountDownLatch使用場景面試題：

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

CyclicBarrier使用場景面試題：

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

Phaser使用場景面試題：

• 請描述一個需要使用Phaser進行分階段同步的場景，并解釋Phaser在這個場景中的優(yōu)勢。
• 假設(shè)你正在開發(fā)一個復雜的多階段任務(wù)，每個階段需要不同數(shù)量的線程來完成，你會如何使用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這些同步工具類應(yīng)用場景的理解以及實際應(yīng)用經(jīng)驗。通過回答這些問題，候選人可以展示他們對并發(fā)編程和JUC工具類的熟悉程度，以及解決實際問題的能力。

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這些工具類都提供了靈活的同步機制，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這四個同步工具類的詳細介紹。每個類都有其獨特的使用場景和內(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。

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