1.引言

從Java的最初版本開始，就可以利用Java來進行多線程編程。正因為Java從最早的版本就支持多線程編程，程序員們才能夠利用Java強大的多線程機制來實現并發任務的執行。然而，多線程編程雖然強大，卻也帶來了一系列潛在的問題和挑戰。

假設有一個共享的咖啡機，多個同事在辦公室中使用它來沖泡咖啡。這里就存在著典型的多線程問題：

• 競態條件（Race Condition）：多個同事同時按下沖泡按鈕，如果沒有適當的控制和同步機制，可能會導致咖啡機出現異常行為，比如一次性沖出過多的咖啡或者沒有沖出咖啡。
• 死鎖（Deadlock）：例如，如果兩個同事分別占用了添加水和放置咖啡粉的步驟，但互相等待對方完成，那么咖啡機就無法繼續工作了。
• 數據同步（Data Synchronization）：確保每個同事知道何時該添加水、何時該放置咖啡粉，以及何時可以開始沖泡，從而避免出現混亂或資源爭奪的情況。

2.并發引出的問題

并發引發問題的根源歸咎于三個方面：

（1）可見性: CPU緩存引起

可見性：一個線程對共享變量的修改，另外一個線程能夠立刻看到。

舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

//線程1執行的代碼
int i = 0;
i = 10;
 
//線程2執行的代碼
j = i;

在多線程環境下，如果線程1對變量i進行了修改，但由于CPU緩存的存在，這個修改可能并不會立即被其他線程（比如線程2）所看到。這樣，在線程2執行j = i;時，它可能讀取到的是舊的i的值，而不是線程1修改后的新值。

（2）原子性: 分時復用引起

原子性：即一個操作或者多個操作 要么全部執行并且執行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執行。 經典的轉賬問題：比如從賬戶A向賬戶B轉1000元，那么必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。 試想一下，如果這2個操作不具備原子性，會造成什么樣的后果。假如從賬戶A減去1000元之后，操作突然中止。然后又從B取出了500元，取出500元之后，再執行 往賬戶B加上1000元 的操作。這樣就會導致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個轉過來的1000元。 所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現一些意外的問題。

（3）有序性: 重排序引起

有序性：即程序執行的順序按照代碼的先后順序執行。舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //語句1  
flag = true;          //語句2

上面代碼定義了一個int型變量，定義了一個boolean類型變量，然后分別對兩個變量進行賦值操作。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執行嗎? 不一定，為什么呢? 這里可能會發生指令重排序。

3.CountDownLatch和CyclicBarrier如何讓多線程步調一致

在多線程編程中，有時我們需要讓多個線程協同工作，以便在某個點上保持步調一致。Java中的CountDownLatch和CyclicBarrier就是用來實現這一目的的兩個重要工具。

（1）CountDownLatch

實現原理:

CountDownLatch是一個計數器，它允許一個或多個線程等待一組操作完成。其基本思想是，一個線程或多個線程在執行任務時，需要等待其他線程都執行完畢后才能繼續執行。CountDownLatch通過一個計數器來實現，當計數器為0時，等待的線程可以繼續執行。

這段代碼演示了使用CountDownLatch來實現多個線程之間的協同工作，確保它們按照預期順序執行。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 初始化計數器為3

        Runnable task = () -> {
            // 執行一些操作
            latch.countDown(); // 操作完成后將計數器減1
        };

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start(); // 啟動3個線程執行任務
        }

        latch.await(); // 等待計數器變為0
        System.out.println("所有操作已完成，多線程步調一致！");
    }
}

當3個線程都調用了countDown之后，主線程從await返回，并輸出"所有操作已完成，多線程步調一致！

（2）CyclicBarrier

實現原理:

字面意思回環柵欄，通過它可以實現讓一組線程等待至某個狀態之后再全部同時執行。叫做回環是因為當所有等待線程都被釋放以后，CyclicBarrier可以被重用。我們暫且把這個狀態就叫做barrier，當調用await()方法之后，線程就處于barrier了。

這段代碼演示了如何使用CyclicBarrier來實現多個線程在一個屏障點進行等待，并在達到該位置后同時繼續執行后續操作。CyclicBarrier常用于多個線程協同工作，并且需要在某個點上實現同步，在實際場景中可以用于控制多線程分階段執行任務的情況。

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("所有線程已到達柵欄位置，開始執行后續操作！");
        });

        Runnable task = () -> {
            try {
                // 執行一些操作
                barrier.await(); // 等待其他線程到達柵欄位置
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        };

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start(); // 啟動3個線程執行任務
        }
    }
}

4.總結

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 都是 Java 多線程編程中用于控制多個線程協同工作的工具，但它們之間有一些關鍵的區別，用法的區別如下：CountDownLatch 主要用來解決一個線程等待多個線程的場景，可以類比旅游團團長要等待所有的游客到齊才能去下一個景點；而CyclicBarrier 是一組線程之間互相等待，更像是幾個驢友之間不離不棄。

（1）功能不同:

• CountDownLatch 用于讓一個或多個線程等待其他線程完成操作，達到某個條件后再繼續執行。
• CyclicBarrier 則用于讓多個線程在指定位置處進行等待，然后同時繼續執行。

（2）重用性:

• CountDownLatch 是一次性的，一旦計數器變為0，就不能再重置使用。
• CyclicBarrier 可以被重復使用，當所有線程都到達屏障點后，可以選擇重置柵欄來進行下一輪等待。

（3）回調操作:

• CountDownLatch 沒有提供回調操作的機制。
• CyclicBarrier 可以在所有線程到達屏障點后執行指定的合并操作。

（4）適用場景:

• CountDownLatch 適用于一組線程需要等待另一組線程執行完畢后再執行的情況，或者等待某些條件滿足后再繼續執行。
• CyclicBarrier 適用于多個線程需要在特定點同步，并且在這一點上需要同時繼續執行后續操作的情況。

總的來說，CountDownLatch的適用場景更傾向于等待其他線程的任務完成，而CyclicBarrier更適用于多個線程在特定位置同步后繼續執行。兩者都是非常有用的并發控制工具，能夠幫助程序員更加靈活地管理多線程任務的執行順序。