AQS工具类的使用：CountDownLatch与CyclicBarrier

# 1. 理解AQS（AbstractQueuedSynchronizer）及其工作原理

### 1.1 AQS简介

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中一个重要的工具类，用于实现锁和同步器的基础框架。它提供了一种方式来创建自定义的同步器，通过继承AQS并实现其抽象方法来控制并发访问。

### 1.2 AQS的工作原理

AQS的核心是一个FIFO队列，用于控制线程的获取和释放资源的顺序。它通过内部的状态来实现线程的阻塞和唤醒，保证了多线程间的协调与同步。

AQS的状态可以是共享的，也可以是独占的。共享模式下，多个线程可以同时获取到资源。独占模式下，只有一个线程能够获取到资源，其他线程需要等待释放后才能获得。

AQS主要通过以下两个方法来实现线程的阻塞和唤醒：
- acquire：用于尝试获取资源，如果获取失败则阻塞当前线程。
- release：用于释放资源，并唤醒等待的线程。

### 1.3 AQS在并发编程中的重要性

AQS作为一个基础框架，为其他同步工具提供了强大的支持。它为开发人员提供了一种创建高效且可靠的同步器的方式，通过合理地使用AQS，可以有效地控制并发访问，避免资源竞争和死锁等问题。

AQS在Java并发编程中广泛应用，例如常见的锁（如ReentrantLock）和同步器（如CountDownLatch、CyclicBarrier）都是基于AQS开发的。了解AQS的原理和使用方式对于理解这些同步工具的工作原理和优化性能非常重要。

在接下来的章节中，我们将重点讨论AQS的两个常用同步工具：CountDownLatch和CyclicBarrier，并深入分析它们的使用方法和原理。

# 2. CountDownLatch的使用与原理解析

### 2.1 CountDownLatch概述

CountDownLatch是Java提供的一个同步工具类，它允许一个或多个线程等待其他一组线程完成操作后再继续执行。CountDownLatch维护一个计数器，当计数器的值为0时，所有等待的线程都会被唤醒继续执行。CountDownLatch可用于实现类似于“等待多个线程完成后再执行”的场景。

### 2.2 CountDownLatch的核心方法及其作用

CountDownLatch类中最重要的方法是`await()`和`countDown()`。

- `await()`方法用于等待计数器值变为0。如果计数器的值不为0，则调用`await()`方法的线程将一直阻塞，直到计数器的值为0。

- `countDown()`方法用于将计数器的值减1。每调用一次`countDown()`方法，计数器的值就会减1。

### 2.3 使用CountDownLatch实现并发控制的示例

下面是一个使用CountDownLatch实现并发控制的示例。我们假设有一个任务需要由三个线程并发执行，然后主线程需要等待这三个线程执行完毕后才能继续执行。具体代码如下（使用Java语言编写）：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

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

        for (int i = 0; i < numOfThreads; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Task(latch));
            thread.start();
        }

        System.out.println("Waiting for all tasks to complete...");
        latch.await(); // 主线程等待计数器变为0

        System.out.println("All tasks completed. Continuing with main thread.");
    }
}

class Task implements Runnable {
    private CountDownLatch latch;

    public Task(CountDownLatch latch) {
        this.latch = latch;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            // 模拟任务执行
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("Task completed by " + Thread.currentThread().getName());

            // 计数器减1
            latch.countDown();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

代码解析：
- 在主线程中，我们创建了一个`CountDownLatch`实例，初始值为任务的数量（这里假设为3）。
- 然后，我们创建了三个线程并启动它们。每个线程都需要传入对应的`CountDownLatch`实例。
- 每个线程在执行完任务后，通过调用`countDown()`方法将计数器的值减1。
- 主线程在调用`latch.await()`方法之后，会等待计数器的值变为0，即所有任务执行完毕。
- 最后，主线程继续执行。

运行以上代码，输出结果如下：

Waiting for all tasks to complete...
Task completed by Thread-0
Task completed by Thread-1
Task completed by Thread-2
All tasks completed. Continuing with main thread.

可以看到，三个任务被三个线程并发执行，并且主线程等待这三个任务全部执行完毕后才继续执行。这就是通过CountDownLatch实现并发控制的效果。

以上是CountDownLatch的使用与原理解析。在下一章中，我们将讨论CyclicBarrier的使用与原理解析。

# 3. CyclicBarrier的使用与原理解析

CyclicBarrier是Java并发包中的一个工具类，用于实现多线程任务之间的同步。它的特点是允许多个线程相互等待，直到所有线程都达到某个共同的状态，然后同时开始执行下一步操作。本章将深入探讨CyclicBarrier的使用方法和原理。

#### 3.1 CyclicBarrier概述
CyclicBarrier是一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点。它可以被认为是一个计数器，每个线程在完成自己的任务后，调用await()方法进行等待，当所有线程都在这个点上等待时，计数器被重置，然后所有线程同时继续执行。CyclicBarrier的构造方法需要指定等待的线程数量，还可以传入一个可选的barrierAction，用于在所有线程达到屏障时执行。

#### 3.2 CyclicBarrier的核心方法及其作用
CyclicBarrier提供了以下主要方法：
- await(): 调用该方法的线程告诉CyclicBarrier已经到达了屏障，然后当前线程进入等待状态，直到所有线程都到达屏障时才能继续执行。await()方法还可以接收一个超时时间参数。
- reset(): 将屏障重置为初始状态，即将等待的线程数量重置为构造方法中指定的值。

#### 3.3 使用CyclicBarrier协调多线程任务的示例
接下来，我们将通过一个示例来展示CyclicBarrier的使用方法。

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierExample {
    private static final int NUM_THREADS = 4;

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS, () -> {
            System.out.println("All threads have reached the barrier");
        });

        for (int i = 0;