Java 並發編程：CountDownLatch 閉鎖機制實戰詳解

CountDownLatch 核心概念

CountDownLatch（倒數閂鎖）是一種同步輔助類，允許一個或多個線程等待其他線程完成操作。它就像一扇門：在計數器歸零前門保持關閉，所有等待線程阻塞；計數器歸零時門打開，所有等待線程同時被釋放繼續執行。

核心 API

• CountDownLatch(int count)：建構子，初始化計數器
• void countDown()：計數器減 1，表示一個任務完成
• void await()：阻塞當前線程，直到計數器歸零
• boolean await(long timeout, TimeUnit unit)：帶超時的等待
• long getCount()：獲取當前計數值

經典應用場景：賽跑模擬

10 位運動員等待裁判發令同時起跑，當最後一名到達終點時比賽結束。這需要兩個閉鎖協調：

1. 起跑閉鎖：計數 1，所有運動員 await() 等待裁判 countDown()
2. 結束閉鎖：計數 10，每位運動員到達終點 countDown()，裁判 await() 等待所有人完成

完整代碼實作

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

class Runner implements Runnable {
    private final int id;
    private final CountDownLatch startSignal;
    private final CountDownLatch finishSignal;

    public Runner(int id, CountDownLatch startSignal, CountDownLatch finishSignal) {
        this.id = id;
        this.startSignal = startSignal;
        this.finishSignal = finishSignal;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(id + " 號選手準備就緒");
            startSignal.await(); // 等待發令
            
            // 模擬跑步時間
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 3000));
            
            System.out.println(id + " 號選手到達終點");
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            finishSignal.countDown(); // 到達終點，計數器減一
        }
    }
}

public class RaceSimulation {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int runnerCount = 10;
        CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch finishSignal = new CountDownLatch(runnerCount);

        // 啟動所有選手線程
        for (int i = 1; i <= runnerCount; i++) {
            new Thread(new Runner(i, startSignal, finishSignal)).start();
        }

        System.out.println("裁判準備發令...");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("裁判：開始跑！");
        startSignal.countDown(); // 發令

        long startTime = System.nanoTime();
        finishSignal.await(); // 等待所有選手到達
        long endTime = System.nanoTime();

        System.out.println("裁判：所有人到達終點！");
        System.out.printf("比賽耗時：%.2f 秒%n", (endTime - startTime) / 1e9);
    }
}

關鍵區別：CountDownLatch vs CyclicBarrier

常見陷阱與注意事項

• 計數器不可重置：一次性使用，需重新 new 實例
• countDown 不拋異常：計數器已為 0 時再調用不會拋異常，只會無視
• await 可被中斷：需處理 InterruptedException，建議恢復中斷狀態
• 不保證公平性：釋放順序不確定