java线程并发控制同步工具CountDownLatch

目录

• 前言
• 了解CountDownLatch
• 思考问题：
• 主要参数与方法
• 构造方法
• CountDownLatch底层实现原理
• 执行流程图
• 实践
• 用法一：
• 用法二：
• 总结

前言

大家好，我是小郭，前面我们学习了利用Semaphore来防止多线程同时操作一个资源，通常我们都会利用并行来优化性能，但是对于串行化的业务，可能需要按顺序执行，那我们怎么才能处理呢？今天我们来学习另一个并发流程控制的同步工具CountDownLatch。

了解CountDownLatch

首先，CountDownLatch是一种并发流程控制的同步工具。

主要的作用是等待多个线程同时完成任务之后，再继续完成主线程任务。

简单点可以理解为，几个小伙伴一起到火锅店聚餐，人到齐了，火锅店才可以开饭。

思考问题：

• CountDownLatch 底层原理是什么，他是否可以代替wait / notify？
• CountDwonLatch 业务场景有哪些？
• 一次可以唤醒多个任务吗？

主要参数与方法

//减少锁存器的计数，如果计数达到零，则释放所有等待线程。
//计数器
public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);
}
//导致当前线程等待，直到锁存器递减至零为止，除非该线程被中断。
//火锅店调用await的线程，count为0才能继续执行
public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

构造方法

//count 数量，理解为小伙伴的个数
public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
}
//获取剩余的数量
public long getCount() {
    return sync.getCount();
}

CountDownLatch底层实现原理

我们可以看出countDown()是CountDownLatch的核心方法，我来看下他的具体实现。

CountDownLatch来时继承AQS的共享模式来完成其的实现，从前面的学习得出AQS主要是依赖同步队列和state实现控制。

共享模式：

这里与独占锁大多数相同，自旋过程中的退出条件是是当前节点的前驱节点是头结点并且tryAcquireShared(arg)返回值大于等于0即能成功获得同步状态.

await

public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
//当状态不为0挂起，表示当前线程被占有，需要线程排队
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
//在共享模式下获取
doAcquireSharedInterruptibly(int arg)

countDown

public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);
}
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
//自旋防止失败
    for (;;) {
        //获取状态
        int c = getState();
        //状态为为0返回false，表示没有被线程占有
        if (c == 0) return false;
        //调用cas来进行替换，也保证了线程安全，当为0的时候唤醒
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}
//当任务数量为0，aqs的释放共享锁
void doReleaseShared()

private void doReleaseShared() {
    /*
        * Ensure that a release propagates, even if there are other
        * in-progress acquires/releases.  This proceeds in the usual
        * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
        * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
        * ensure that upon release, propagation continues.
        * Additionally, we must loop in case a new node is added
        * while we are doing this. Also, unlike other uses of
        * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
        * fails, if so rechecking.
        */
    // 无限循环
    for (;;) {
        // 保存头节点
        Node h = head;
        // 头节点不为空并且头节点不为尾结点
        if (h != null && h != tail) {
            // 获取头节点的等待状态
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                // 状态为SIGNAL,CAS更新状态
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 释放后继结点
                unparkSuccessor(h);
            }
            // 状态为0并且更新不成功，继续
            else if (ws == 0 &&
                        !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) //
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head) // 若头节点改变，继续循环
            break;
    }
}

思考

• 如何安排线程排序

个人认为，没有进行线程的排序，而是让一部分线程进入等待，在唤醒的时候放开。

执行流程图

实践

用法一：

一个线程等待其他多个线程都执行完毕，再继续自己的工作

public class CountDownLatchTest {
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(4);
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        IntStream.range(0,16).forEach(i ->{
            executorService.submit(()->{
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "来火锅店吃火锅！");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    countDownLatch.countDown();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我到火锅店了，准备开吃！");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            });
        });
        try {
            countDownLatch.await(5,TimeUnit.SECONDS);
            System.out.println("人到齐了，开饭");
            executorService.shutdown();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出结果

代码中设置了一个CountDownLatch做倒计时，四个人（count为4）一起到火锅店吃饭，每到一个人计数器就减去1（countDownLatch.countDown()）,当计数器为0的时候，main线程在await的阻塞结束，继续往下执行。

用法二：

多个线程等待某一个线程的信号，同时开始执行

用抢位子作为例子，将线程挂起等待，同时开始执行。

public class CountDownLatchTest2 {
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        IntStream.range(0,4).forEach(i ->{
            executorService.submit(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "准备开始抢位子！");
                try {
                    //Thread.sleep(1000);
                    countDownLatch.await();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了位置");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        });
        try {
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println("五秒后开始抢位置");
            countDownLatch.countDown();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

注意点

CountDownLatch是不能重用的。

总结

我们可以看到CountDownLatch的使用很简单，就当做一个计时器来使用，在控制并发方面能给我们提供帮助。

• 在构造器中初始化任务数量
• 调用await()挂起主线程main
• 调用countDown()方法减一，直到为0的时候，唤醒主线程可以继续运行。

上面提供的两个用法，我们也可以结合起来使用。

在实际的业务代码开发中，利用CountDownLatch来进行业务方法的执行，来确定他们的顺序，解决一个线程等待多个线程的场景

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