Java AQS中闭锁CountDownLatch的使用

目录

• 一. 简介
• 二. 使用
• 三. 应用场景
• 四. 底层原理
• 五. CountDownLatch与Thread.join的区别

一. 简介

CountDownLatch（闭锁）是一个同步协助类，允许一个或多个线程等待，直到其他线程完成操作集。

CountDownLatch使用给定的计数值（count）初始化。await方法会阻塞直到当前的计数值（count）由于countDown方法的调用达到0，count为0之后所有等待的线程都会被释放，并且随后对await方法的调用都会立即返回。这是一个一次性现象 —— count不会被重置。如果你需要一个重置count的版本，那么请考虑使用CyclicBarrier。

二. 使用

构造器

 public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
    }

常用方法

 // 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
public void await() throws InterruptedException { };
// 和 await() 类似，若等待 timeout 时长后，count 值还是没有变为 0，不再等待，继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };
// 会将 count 减 1，直至为 0
public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }

三. 应用场景

CountDownLatch一般用作多线程倒计时计数器，强制它们等待其他一组（CountDownLatch的初始化决定）任务执行完成。

CountDownLatch的两种使用场景：

• 让多个线程等待
• 让单个线程等待

场景1 让多个线程等待：模拟并发，让并发线程一起执行

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                   //等待
                    countDownLatch.await();
                    String parter = "【" + Thread.currentThread().getName() + "】";
                    System.out.println(parter + "开始执行……");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        countDownLatch.countDown();
    }

for循环中等待阻塞，直到执行countdown方法。

场景2 让单个线程等待：多个线程(任务)完成后，进行汇总合并。

很多时候，我们的并发任务，存在前后依赖关系；比如数据详情页需要同时调用多个接口获取数据，并发请求获取到数据后、需要进行结果合并；或者多个数据操作完成后，需要数据check；这其实都是：在多个线程(任务)完成后，进行汇总合并的场景。

   public static void main(String[] args) throws Exception {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int index = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000 +
                            ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000));
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + " finish task" + index);

                    countDownLatch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        // 主线程在阻塞，当计数器==0，就唤醒主线程往下执行。
        countDownLatch.await();
        System.out.println("主线程:在所有任务运行完成后，进行结果汇总");
    }

四. 底层原理

底层基于 AbstractQueuedSynchronizer 实现，CountDownLatch 构造函数中指定的count直接赋给AQS的state；每次countDown()则都是release(1)减1，最后减到0时unpark线程；这一步是由最后一个执行countdown方法的线程执行的。

而调用await()方法时，当前线程就会判断state属性是否为0，如果为0，则继续往下执行，如果不为0，则使当前线程进入等待状态，直到某个线程将state属性置为0，其就会唤醒在await()方法中等待的线程。

构造方法

 public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
    }
	    Sync(int count) {
            setState(count);
        }
 protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

阻塞

public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
 public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
            //arg为1，不为0 ，返回-1，这里小于0
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        	//入队阻塞
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }

入队阻塞

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        //入队，创建节点 使用共享模式
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
            //获取当前节点的前躯节点
                final Node p = node.predecessor();
                //如果节点为head节点
                if (p == head) {
                	//阻塞动作比较重，通常会再尝试获取资源，没有获取到返回负数
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                //判断是否可以阻塞
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

countDown方法减一

  public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }
  public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
//尝试释放共享锁
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // Decrement count; signal when transition to zero
            for (;;) {
                int c = getState();
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                	//减到0的时候返回true，进行唤醒
                    return nextc == 0;
            }
        }

唤醒逻辑

 private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                	//wa为-1时，将其状态设置为0，并且唤醒
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }
private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
        //ws状态小于0就将其设置为0
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
        //s不为空就调用unpark
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

五. CountDownLatch与Thread.join的区别

• CountDownLatch的作用就是允许一个或多个线程等待其他线程完成操作，看起来有点类似join() 方法，但其提供了比 join() 更加灵活的API。
• CountDownLatch可以手动控制在n个线程里调用n次countDown()方法使计数器进行减一操作，也可以在一个线程里调用n次执行减一操作。
• 而 join() 的实现原理是不停检查join线程是否存活，如果 join 线程存活则让当前线程永远等待。所以两者之间相对来说还是CountDownLatch使用起来较为灵活。

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