线程协作工具类：控制并发流程

女爷i 2023-07-02 12:24 107阅读 0赞

# 1 什么是控制并发流程？ #

>  *  控制并发流程的工具类，作用就是帮助我们程序员更容易的让线程之间合作
>  *  让线程之间相互配合，来满足业务逻辑
>  *  比如让线程A等待线程B执行完毕后再执行等合作策略

>  有哪些控制并发流程的工具类？

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

--------------------

# 2 CountDownLatch倒计时门闩 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

## 2.1 CountDownLatch类的作用 ##

> 并发流程控制的工具
> 
>  *  倒数门闩
>  *  例子：购物拼团；大巴（游乐园坐过山车排队），人满发车。
>  *  流程：倒数结束之前，一直处于等待状态，直到倒计时结束了，此线程才继续工作。
> 
> ![20200130010611897.png][]

>  *  CountDownLatch(int count)：仅有一个构造函数，参数count为需要倒数的数值。
>  *  await()：调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行。
>  *  countDown()：将count值减1，直到为0时，等待的线程会被唤起。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

## 2.2 两个典型用法 ##

>  *  两个典型用法：一等多和多等一
>  *  CountDownLatch类在创建实例的时候，需要传递倒数次数。倒数到0的时候，之前等待的线程会继续运行
>  *  CountDownLatch不能回滚重置

> 一等多
> 
>  *  用法一：一个线程等待多个线程都执行完毕，再继续自己的工作。

/**
     * 工厂中，质检，5个工人检查，所有人都认为通过，才通过
     */
    public class CountDownLatchDemo {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
            ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                final int no = i + 1;
                Runnable runnable = () -> {
                    try {
                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                        System.out.println("No." + no + "完成了检查。");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        //谁减一谁调用countDown
                        latch.countDown();
                    }
                };
                threadPool.submit(runnable);
            }
            System.out.println("等待5个人检查完.....");
            //谁等待谁调用await
            latch.await();
            System.out.println("所有人都完成了工作，进入下一个环节。");
            threadPool.shutdown();
        }
    }

> public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)  还可以设置等待的时间，超时就不在等待了

public class CountDownLatchDemo {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
            ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                final int no = i + 1;
                Runnable runnable = () -> {
                    try {
                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                        System.out.println("No." + no + "完成了检查。");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        //谁减一谁调用countDown
                        latch.countDown();
                    }
                };
                threadPool.submit(runnable);
            }
            System.out.println("等待了5秒我就不等了，管你检查没检查完.....");
            //谁等待谁调用await
            latch.await(5, TimeUnit.SECONDS);
            System.out.println("溜了溜了.....");
            threadPool.shutdown();
        }
    }

> 多等一
> 
>  *  用法二：多个线程等待某一个线程的信号，同时开始执行。

/**
     * 模拟100米跑步，5名选手都准备好了，只等裁判员一声令下，所有人同时开始跑步。
     */
    public class CountDownLatchDemo {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
            ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                final int no = i + 1;
                Runnable runnable = () -> {
                    System.out.println("No." + no + "准备完毕，等待发令枪");
                    try {
                        begin.await();
                        System.out.println("No." + no + "开始跑步了");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                };
                threadPool.submit(runnable);
            }
            //裁判员检查发令枪...
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println("发令枪响，比赛开始！");
            //裁判发枪
            begin.countDown();
            threadPool.shutdown();
        }
    }

>  综合用法一和用法二：运动员跑步

/**
     * 模拟100米跑步，5名选手都准备好了，只等裁判员一声令下，所有人同时开始跑步。当所有人都到终点后，比赛结束。
     */
    public class CountDownLatchDemo1And2 {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);
            CountDownLatch end = new CountDownLatch(5);
            ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                final int no = i + 1;
                Runnable runnable = () -> {
                    System.out.println("No." + no + "准备完毕，等待发令枪");
                    try {
                        begin.await();
                        System.out.println("No." + no + "开始跑步了");
                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                        System.out.println("No." + no + "跑到终点了");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        end.countDown();
                    }
                };
                service.submit(runnable);
            }
            //裁判员检查发令枪...
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println("发令枪响，比赛开始！");
            //发枪
            begin.countDown();
            //等待所有运动员到达终点
            end.await();
            System.out.println("所有人到达终点，比赛结束");
            service.shutdown();
        }
    }

## 2.3 注意点 ##

>  *  扩展用法：多个线程等多个线程完成执行后，再同时执行
>  *  CountDownLatch是不能够重用的，如果需要重新计数，可以考虑使用CyclicBarrier或者创建新的CountDownLatch实例。

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# 3 Semaphore信号量 #

>  *  Semaphore可以用来限制或管理数量有限的资源的使用情况。
>  *  污染不能太多，污染许可证只能发3张
>  *  信号量的作用是维护一个 “许可证” 的计数，线程可以 “获取” 许可证，那信号量剩余的许可证就减一，线程也可以 “释放” 一个许可证，那信号量剩余的许可证就加一，当信号量所拥有的许可证数量为0，那么下一个还想要获取许可证的线程，就需要等待，直到有另外的线程释放了许可证

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

> 没有使用信号量的时候，慢服务会拖垮整个程序的

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

## 3.1 使用信号量  ##

> 信号量使用流程
> 
>  *  初始化Semaphore并指定许可证的数量
>  *  在需要被现在的代码前加acquire()或者acquireUninterruptibly()方法
>  *  在任务执行结束后，调用release()来释放许可证

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

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![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 13][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 14][]

## 3.2 信号量主要方法介绍 ##

>  *  new Semaphore(int permits, boolean fair)：这里可以设置是否要使用公平策略，如果传入true，那么Semaphore会把之前等待的线程放到FIFO的队列里，以便于当有了新的许可证，可以分发给之前等了最长时间的线程。
>  *  acquire()：能够响应中断
>  *  acquireUninterruptibly()：不能够响应中断
>  *  tryAcquire()：看看现在有没有空闲的许可证，如果有的话就获取，如果没有的话也没关系，我不必陷入阻塞，我可以去做别的事，过一会再来查看许可证的空闲情况。
>  *  ◆tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)：和tryAcquire()一样，但是多了一个超时时间，比如 “在3秒内获取不到许可证，我就去做别的事”
>  *  release()：归还许可证

## 3.3 信号量代码演示 ##

/**
     * 演示Semaphore用法
     */
    public class SemaphoreDemo {
        static Semaphore semaphore = new Semaphore(5, true);
        public static void main(String[] args) {
            ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(50);
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                service.submit(new Task());
            }
            service.shutdown();
        }
    
        static class Task implements Runnable {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    //！！！获取和释放需要一致
                    semaphore.acquire(3);//semaphore.release(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到了许可证");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了许可证");
                semaphore.release(3);
            }
        }
    }

/**
     * 限制最大的并发送为3，超过就丢弃
     */
    @Slf4j
    public class SemaphoreExample3 {
        private final static int threadCount = 20;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
            for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
                final int threadNum = i;
                if(i > threadCount / 2){
                    Thread.sleep(500);
                }
                exec.execute(() -> {
                    try {
                        //semaphore.tryAcquire(5000, TimeUnit.MILLISECONDS)
                        if (semaphore.tryAcquire()) { // 尝试获取一个许可
                            test(threadNum);
                            semaphore.release(); // 释放一个许可
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("exception", e);
                    }
                });
            }
            exec.shutdown();
        }
        private static void test(int threadNum) throws Exception {
            log.info("{}", threadNum);
            Thread.sleep(1000);
        }
    }

## 3.4 信号量特殊用法 ##

> 一次性获取或释放多个许可证
> 
>  *  比如TaskA会调用很消耗资源的method1()，而TaskB调用的是不太消耗资源的method2()，假设我们一共有5个许可证。那么我们就可以要求TaskA获取5个许可证才能执行，而 TaskB只需要获取到一个许可证就能执行，这样就避免了A和B同时运行的情况，我们可以根据自己的需求合理分配资源。

## 3.5 注意点 ##

> 1.  获取和释放的许可证数量必须一致，否则比如每次都获取2个但是只释放1个甚至不释放，随着时间的推移，到最后许可证数量不够用，会导致程序卡死。（虽然信号量类并不对是否和获取的数量做规定，但是这是我们的编程规范，否则容易出错）。
> 2.  注意在初始化Semaphore的时候设置公平性，一般设置为true会更合理。
> 3.  并不是必须由获取许可证的线程释放那个许可证，事实上，获取和释放许可证对线程并无要求，也许是A获取了，然后由B释放，只要逻辑合理即可。
> 4.  信号量的作用，除了控制临界区最多同时有N个线程访问外，另一个作用是可以实现 “条件等待” ，例如线程1需要在线程2完成准备工作后才能开始工作，那么就线程1 acquire()，而线程2（先执行）完成任务后release()，这样的话，相当于是轻量级的CountDownLatch。

--------------------

# 4 Condition接口（又称条件对象） #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 15][]

## 4.1 作用 ##

>  *  当线程1需要等待某个条件的时候，它就去执行condition.await()方法，一旦执行了await()方法，线程就会进入阻塞状态。
>  *  然后通常会有另外—个线程，假设是线程2，去执行对应的条件，直到这个条件达成的时候，线程2就会去执行condition.signal()方法，这时JVM就会从被阻塞的线程里找，找到那些等待该condition的线程，当线程1收到可执行信号的时候，它的线程状态就会变成Runnable可执行状态。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 16][]

> signalAll()和signal()区别
> 
>  *  signalAll()会唤起所有的正在等待的线程
>  *  但是signal()是公平的，只会唤起那个等待时间最长的线程

## 4.2 代码演示 ##

> 普通示例

/**
     * 演示Condition的基本用法
     */
    public class ConditionDemo1 {
        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        private Condition condition = lock.newCondition();
        void method1() throws InterruptedException {
            lock.lock();
            try{
                System.out.println("条件不满足，开始await");
                condition.await();
                System.out.println("条件满足了，开始执行后续的任务");
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        void method2() {
            lock.lock();
            try{
                System.out.println("准备工作完成，唤醒其他的线程");
                condition.signal();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            ConditionDemo1 conditionDemo1 = new ConditionDemo1();
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    conditionDemo1.method2();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
            conditionDemo1.method1();
        }
    }

> 用Condition实现生产者消费者模式 
> 
>  *  用wait/notify来实现生产者消费者模式：[https://blog.csdn.net/qq\_40794973/article/details/103869882\#t1][https_blog.csdn.net_qq_40794973_article_details_103869882_t1]

/**
     * 演示用Condition实现生产者消费者模式
     */
    public class ConditionDemo2 {
        private final int QUEUE_SIZE = 10;
        private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>(QUEUE_SIZE);
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        //没有满（生产者用）
        private Condition notFull = lock.newCondition();
        //没有空（消费者）
        private Condition notEmpty = lock.newCondition();
        public static void main(String[] args) {
            ConditionDemo2 conditionDemo2 = new ConditionDemo2();
            Producer producer = conditionDemo2.new Producer();
            Consumer consumer = conditionDemo2.new Consumer();
            new Thread(producer).start();
            new Thread(consumer).start();
        }
        //消费者
        class Consumer implements Runnable {
            @Override
            public void run() {
                consume();
            }
            private void consume() {
                while (true) {
                    lock.lock();
                    try {
                        while (queue.size() == 0) {
                            System.out.println("队列空，等待数据");
                            try {
                                notEmpty.await();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                        queue.poll();
                        //唤醒生产者
                        notFull.signalAll();
                        System.out.println("从队列里取走了一个数据，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
        }
        //生产者
        class Producer implements Runnable {
            @Override
            public void run() {
                produce();
            }
            private void produce() {
                while (true) {
                    lock.lock();
                    try {
                        while (queue.size() == QUEUE_SIZE) {
                            System.out.println("队列满，等待有空余");
                            try {
                                notFull.await();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                        queue.offer(1);
                        //唤醒消费者
                        notEmpty.signalAll();
                        System.out.println("向队列插入了一个元素，队列剩余空间" + (QUEUE_SIZE - queue.size()));
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
        }
    }

@Slf4j
    public class LockExample {
        public static void main(String[] args) {
            ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
            Condition condition = reentrantLock.newCondition();
            new Thread(() -> {
                try {
                    reentrantLock.lock();
                    log.info("wait signal"); // 1
                    condition.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.info("get signal"); // 4
                reentrantLock.unlock();
            }).start();
            new Thread(() -> {
                reentrantLock.lock();
                log.info("get lock"); // 2
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                condition.signalAll();
                log.info("send signal ~ "); // 3
                reentrantLock.unlock();
            }).start();
        }
    }

## 4.3 Condition注意点 ##

>  *  实际上，如果说Lock用来代替synchronized，那么Condition就是用来代替相对应的Object.wait/notify的，所以在用法和性质上，几乎都一样。
>  *  await方法会自动释放持有的Lock锁，和Object.wait一样，不需要自己手动先释放锁。
>  *  调用await的时候，必须持有锁，否则会抛出异常，和Object.wait一样。

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# 5 CyclicBarrier循环栅栏 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95dWFueXUuYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 17][]

## 5.1 使用CyclicBarrier ##

>  *  CyclicBarrier循环栅栏和CountDownLatch很类似，都能阻塞一组线程
>  *  当有大量线程相互配合，分别计算不同任务，并且需要最后统一汇总的时候，我们可以使用CyclicBarrier。CyclicBarrier可以构造一个集结点，当某一个线程执行完毕，它就会到集结点等待，直到所有线程都到了集结点，那么该栅栏就被撤销，所有线程再统一出发，继续执行剩下的任务。
>  *  生活中的例子：“咱们3个人明天中午在学校碰面，都到齐后，一起讨论下学期的计划。”

/**
     * 演示CyclicBarrier（集体活动，坐车场景，坐满就发车）
     */
    public class CyclicBarrierDemo {
        public static void main(String[] args) {
            //5个一发车
            CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("车满，发车！");
                }
            });
            //10：发两趟车
            //5：发一趟车
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                new Thread(new Task(i, cyclicBarrier)).start();
            }
        }
        static class Task implements Runnable{
            private int id;
            private CyclicBarrier cyclicBarrier;
    
            public Task(int id, CyclicBarrier cyclicBarrier) {
                this.id = id;
                this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
            }
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程" + id + "现在前往集合地点");
                try {
                    Thread.sleep((long) (Math.random()*10000));
                    System.out.println("线程"+id+"到了集合地点，开始等待其他人到达");
                    cyclicBarrier.await();
                    System.out.println("线程"+id+"出发了");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

@Slf4j
    public class CyclicBarrierExample {
        private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                final int threadNum = i;
                Thread.sleep(1000);
                threadPool.execute(() -> {
                    try {
                        race(threadNum);
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("exception", e);
                    }
                });
            }
            threadPool.shutdown();
        }
        private static void race(int threadNum) throws Exception {
            Thread.sleep(1000);
            log.info("{} is ready", threadNum);
            barrier.await();
            log.info("{} continue", threadNum);
        }
    }

@Slf4j
    public class CyclicBarrierExample {
        private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                final int threadNum = i;
                Thread.sleep(1000);
                executor.execute(() -> {
                    try {
                        race(threadNum);
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("exception", e);
                    }
                });
            }
            executor.shutdown();
        }
        private static void race(int threadNum) throws Exception {
            Thread.sleep(1000);
            log.info("{} is ready", threadNum);
            try {
                barrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
            } catch (Exception e) {
                //log.warn("BarrierException", e);
                System.out.println("不等了");
            }
            log.info("{} continue", threadNum);
        }
    }

@Slf4j
    public class CyclicBarrierExample {
        //到达屏障的时候，优先执行这个里面的Runnable
        private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
            log.info("callback is running");
        });
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                final int threadNum = i;
                Thread.sleep(1000);
                executor.execute(() -> {
                    try {
                        race(threadNum);
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("exception", e);
                    }
                });
            }
            executor.shutdown();
        }
        private static void race(int threadNum) throws Exception {
            Thread.sleep(1000);
            log.info("{} is ready", threadNum);
            barrier.await();
            log.info("{} continue", threadNum);
        }
    }

## 5.2 CyclicBarrier和CountDownlatch的区别 ##

>  *  作用不同：CyclicBarrier要等固定数量的线程都到达了栅栏位置才能继续执行，而CountDownLatch只需等待数字到0，也就是说，CountDownLatch用于事件，但是CyclicBarrier是用于线程的。
>  *  可重用性不同：CountDownLatch在倒数到0并触发门闩打开后，就不能再次使用了，除非新建新的实例。而 CyclicBarrier可以重复使用。

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[https_blog.csdn.net_qq_40794973_article_details_103869882_t1]: https://blog.csdn.net/qq_40794973/article/details/103869882#t1
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