在JDK的并发包里提供了几个非常有用的并发工具类。CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore工具类分别提供了一种并发流程控制的手段，Exchanger工具类则提供了在线程间交换数据的一种手段。
1. 等待多线程完成的CountDownLatch
CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。
假如有这样一个需求：我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序需要提示解析完成。在这个需求中，要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，最简单的做法是使用join()方法，如下代码：
public class JoinCountDownLatchTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("parser1 finish");
}
});
Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("parser2 finish");
}
});
parser1.start();
parser2.start();
parser1.join();
parser2.join();
System.out.println("all parser finish");
}
}
join用于让当前执行线程等待join线程执行结束。其实现原理是不停检查join线程是否存活，如果join线程存活则让当前线程永远等待。其中，wait(0)表示永远等待下去。直到join线程中止后，线程的this.notifyAll()方法会被调用，调用notifyAll()方法是在JVM里实现的，所以在JDK里看不到。
在JDK 1.5之后的并发包中提供的CountDownLatch也可以实现join的功能，并且比join的功能更多，如下代码所示：
public class CountDownLatchTest {
static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(1);
c.countDown();
System.out.println(2);
c.countDown();
}
}).start();
c.await();
System.out.println("3");
}
}
CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器，如果你想等待N个点完成，这里就传入N。当调用CountDownLatch的countDown方法时，N就会减1，CountDownLatch的await方法会阻塞当前线程，直到N变成零。由于countDown方法可以用在任何地方，所以这里说的N个点，可以是N个线程，也可以是1个线程里的N个执行步骤。用在多个线程时，只需要把这个CountDownLatch的引用传递到线程里即可。
如果有某个解析sheet的线程处理得比较慢，我们不可能让主线程一直等待，所以可以使用另外一个带指定时间的await方法——await(long time，TimeUnit unit)，这个方法等待特定时间后，就会不再阻塞当前线程。join也有类似的方法。
注意：
- 计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是零，调用await方法时不会阻塞当前线程。CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数器的值。一个线程调用countDown方法happen-before，另外一个线程调用await方法。
2. 同步屏障CyclicBarrier
CyclicBarrier的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。
作用：让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续运行。
2.1 CyclicBarrier方法
- CyclicBarrier(int parties)
CyclicBarrier默认的构造方法是CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。如下代码所示：
public class CyclicBarrierTest {
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(1);
}
}).start();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(2);
}
}
因为主线程和子线程的调度是由CPU决定的，两个线程都有可能先执行，所以会产生两种输出：
1
2
2
1
如果把new CyclicBarrier(2)修改成new CyclicBarrier(3)，则主线程和子线程会永远等待，因为没有第三个线程执行await方法，即没有第三个线程到达屏障，所以之前到达屏障的两个线程都不会继续执行。
- CyclicBarrier(int parties,Runnable barrierAction)
CyclicBarrier(int parties,Runnable barrierAction)是一个更高级的构造函数，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景，如下代码所示：
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class CyclicBarrierTest2 {
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(1);
}
}).start();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(2);
}
static class A implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println(3);
}
}
}
因为CyclicBarrier设置了拦截线程的数量是2，所以必须等代码中的第一个线程和线程A都执行完之后，才会继续执行主线程，然后输出2，所以代码输出结果如下：
3
1
2
2.2 CyclicBarrier的主要应用场景
CyclicBarrier可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。
例如用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个账户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个sheet里的银行流水，都执行完之后，得到每个sheet的日均银行流水，最后，再用barrierAction用这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水。
import java.util.Map.Entry;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;
// 银行流水处理服务类
public class BankWaterService implements Runnable {
// 创建4个屏障，处理完之后执行当前类的run方法
private CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(4, this);
//假设只有4个sheet，所以只启动4个线程
private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
// 保存每个sheet计算出的银流结果
private ConcurrentHashMap<String, Integer> sheetBankWaterCount = new
ConcurrentHashMap<String, Integer>();
privatevoid count() {
for (int i = 0; i< 4; i++) {
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 计算当前sheet的银流数据，计算代码省略
sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
// 银流计算完成，插入一个屏障
try {
c.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
@Override
public void run() {
intresult = 0;
// 汇总每个sheet计算出的结果
for (Entry<String, Integer>sheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
result += sheet.getValue();
}
// 将结果输出
sheetBankWaterCount.put("result", result);
System.out.println(result);
}
public static void main(String[] args) {
BankWaterService bankWaterCount = new BankWaterService();
bankWaterCount.count();
}
}
使用线程池创建4个线程，分别计算每个sheet里的数据，每个sheet计算结果是1，再由BankWaterService线程汇总4个sheet计算出的结果，输出结果为4。
2.3 CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景。例如，如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程重新执行一次。
CyclicBarrier还提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以获得Cyclic-Barrier阻塞的线程数量。isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断。
3. 控制并发线程数的Semaphore
Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。
3.1 如何理解Semaphore？
从字面上很难理解Semaphore所表达的含义，我们可以把它比作是控制流量的红绿灯。比如某条马路要限制流量，只允许同时有一百辆车在这条路上行使，其他的都必须在路口等待，所以前一百辆车会看到绿灯，可以开进这条马路，后面的车会看到红灯，不能驶入这条马路，但是如果前一百辆中有5辆车已经离开了马路，那么后面就允许有5辆车驶入马路，这个例子里说的车就是线程，驶入马路就表示线程在执行，离开马路就表示线程执行完成，看见红灯就表示线程被阻塞，不能执行。
3.2 应用场景
Semaphore可以用于做流量控制，特别是公用资源有限的应用场景，比如数据库连接。假如有一个需求，要读取几万个文件的数据，因为都是IO密集型任务，我们可以启动几十个线程并发地读取，但是如果读到内存后，还需要存储到数据库中，而数据库的连接数只有10个，这时我们必须控制只有10个线程同时获取数据库连接保存数据，否则会报错无法获取数据库连接。这个时候，就可以使用Semaphore来做流量控制，如代码清单所示：
public class SemaphoreTest {
private static final int THREAD_COUNT = 30;
private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
private static Semaphore s = new Semaphore(10);
public static void main(String[] args) {
for (inti = 0; i< THREAD_COUNT; i++) {
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
s.acquire();
System.out.println("save data");
s.release();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
}
程序中虽然有30个线程在执行，但是只允许10个并发执行。Semaphore的构造方法Semaphore(int permits)接受一个整型的数字，表示可用的许可证数量。
Semaphore(10)表示允许10个线程获取许可证，也就是最大并发数是10。Semaphore的用法很简单，首先线程使用Semaphore的acquire()方法获取一个许可证，使用完之后调用release()方法归还许可证。还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证。
4. 线程间交换数据的Exchanger
Exchanger是一个用于线程间协作的工具类，进行线程间的数据交换。
Exchanger提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过exchange方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange()方法，它会一直等待第二个线程也执行exchange方法，当两个线程都到达同步点时，这两个线程就可以交换数据，将本线程生产出来的数据传递给对方。
Exchanger的应用场景：
1、 Exchanger可以用于遗传算法，遗传算法里需要选出两个人作为交配对象，这时候会交换两人的数据，并使用交叉规则得出2个交配结果；
2、 Exchanger也可以用于校对工作，比如我们需要将纸制银行流水通过人工的方式录入成电子银行流水，为了避免错误，采用AB岗两人进行录入，录入到Excel之后，系统需要加载这两个Excel，并对两个Excel数据进行校对，看看是否录入一致，实例代码如下所示：；
public class ExchangerTest {
private static final Exchanger<String> exgr = new Exchanger<String>();
private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
public static void main(String[] args) {
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
String A = "银行流水A"; // A录入银行流水数据
exgr.exchange(A);
} catch (InterruptedException e) {
}
}
});
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
String B = "银行流水B"; // B录入银行流水数据
String A = exgr.exchange("B");
System.out.println("A和B数据是否一致：" + A.equals(B) + "，A录入的是："+ A + "，B录入是：" + B);
} catch (InterruptedException e) {
}
}
});
threadPool.shutdown();
}
}
如果两个线程有一个没有执行exchange()方法，则会一直等待，如果担心有特殊情况发生，避免一直等待，可以使用exchange(V x，longtimeout，TimeUnit unit)设置最大等待时长。
本文主要参考书籍《Java并发编程的艺术》，有兴趣的读者可以研究一下。