并发工具类：如何在JDK 8、17与21中使用CountDownLatch、Semaphore和CyclicBarrier？

猫头虎

发布于 2024-12-24 08:27:37

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并发工具类：如何在JDK 8、17与21中使用`CountDownLatch`、`Semaphore`和`CyclicBarrier`？

粉丝提问：

在Java并发编程中，CountDownLatch、Semaphore和CyclicBarrier是常见的同步工具。它们在JDK 8、17和21中有何差异？如何正确使用它们？

本文将为你全面解析这些工具类的原理、使用方法及其在不同Java版本中的优化点，助你轻松解决并发任务中的同步问题。

正文

一、并发工具类基础概

1. `CountDownLatch`

作用：允许一个线程等待多个线程完成任务后再继续执行。 典型场景：启动多个线程并等待它们完成初始化。

2. `Semaphore`

作用：控制同时访问特定资源的线程数量。 典型场景：限制访问某个资源的并发线程数，例如数据库连接池。

3. `CyclicBarrier`

作用：让一组线程到达同步点后再一起继续执行。 典型场景：实现多线程协同工作，例如并行任务分块计算。

二、各工具类在JDK 8、17和21中的优化点

工具类	JDK 8	JDK 17	JDK 21
CountDownLatch	基本功能实现	性能优化：减少竞争锁	集成虚拟线程更高效
Semaphore	基础信号量实现	增加公平性支持	与虚拟线程兼容性提升
CyclicBarrier	基础同步实现	增强异常处理	性能提升：通过虚拟线程实现大规模并发

三、工具类的使用与示例

1. `CountDownLatch` 示例：多线程初始化

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

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

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 初始化完成");
                latch.countDown(); // 每个线程完成后减少计数
            }).start();
        }

        latch.await(); // 等待所有线程完成
        System.out.println("所有线程初始化完成，继续执行主任务");
    }
}

2. `Semaphore` 示例：限制资源访问

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2); // 允许同时访问的线程数为2

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire(); // 获取许可
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取资源");
                    Thread.sleep(1000); // 模拟资源使用
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    semaphore.release(); // 释放许可
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放资源");
                }
            }).start();
        }
    }
}

3. `CyclicBarrier` 示例：并发任务分块计算

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierExample {
    public static void main(String[] args) {
        int parties = 3;
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(parties, () -> System.out.println("所有线程已到达屏障，开始下一步"));

        for (int i = 0; i < parties; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行任务");
                    Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行
                    barrier.await(); // 等待其他线程
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

四、JDK 21中虚拟线程的优势

在JDK 21中，虚拟线程的引入显著提升了上述工具类的并发性能：

CountDownLatch 与虚拟线程：支持大规模线程同步，减少线程资源消耗。
Semaphore 与虚拟线程：避免传统线程池管理带来的资源浪费。
CyclicBarrier 与虚拟线程：更适合超高并发的任务分解与协同。

虚拟线程的结合示例：`CountDownLatch`

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.Executors;

public class VirtualThreadCountDownLatchExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int threadCount = 10;
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadCount);

        var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            executor.execute(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 虚拟线程任务完成");
                latch.countDown();
            });
        }

        latch.await();
        System.out.println("所有虚拟线程任务完成");
        executor.close();
    }
}

五、常见问题 Q&A

Q：虚拟线程是否完全替代传统线程？ A：虚拟线程在高并发任务中表现出色，但对于重计算任务，仍需传统线程池支持。

Q：CyclicBarrier 与 Semaphore 的选择标准是什么？ A：CyclicBarrier 适用于任务协同，Semaphore 用于资源访问限制。根据具体场景选择。

六、总结与趋势展望

趋势展望： JDK 21中的虚拟线程将彻底改变并发编程方式：

大规模线程管理变得更简单。
并发工具类性能显著提升。
开发者可以更专注于业务逻辑而非线程管理。

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原始发表：2024-12-22，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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