【死磕Java并发】-----J.U.C之并发工具类：CountDownLatch

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8在上篇博客中介绍了Java四大并发工具一直的CyclicBarrier，今天要介绍的CountDownLatch与CyclicBarrier有点儿相似。CyclicBarrier所描述的是“允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点，才会进行后续任务"，而CountDownLatch所描述的是”在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待“。在API中是这样描述的：用给定的计数 初始化 CountDownLatch。由于调用了 countDown() 方法，所以在当前计数到达零之前，await 方法会一直受阻塞。之后，会释放所有等待的线程，await 的所有后续调用都将立即返回。这种现象只出现一次——计数无法被重置。如果需要重置计数，请考虑使用 CyclicBarrier。


这里写图片描述CountDownLatch是通过一个计数器来实现的，当我们在new 一个CountDownLatch对象的时候需要带入该计数器值，该值就表示了线程的数量。每当一个线程完成自己的任务后，计数器的值就会减1。当计数器的值变为0时，就表示所有的线程均已经完成了任务，然后就可以恢复等待的线程继续执行了。虽然，CountDownlatch与CyclicBarrier有那么点相似，但是他们还是存在一些区别的：CountDownLatch的作用是允许1或N个线程等待其他线程完成执行；而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待

CountDownLatch的计数器无法被重置；CyclicBarrier的计数器可以被重置后使用，因此它被称为是循环的barrier

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实现分析

CountDownLatch结构如下

这里写图片描述通过上面的结构图我们可以看到，CountDownLatch内部依赖Sync实现，而Sync继承AQS。CountDownLatch仅提供了一个构造方法：CountDownLatch(int count) ： 构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch

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

sync为CountDownLatch的一个内部类，其定义如下：

   private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
       private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

       Sync(int count) {
           setState(count);
       }

       //获取同步状态
       int getCount() {
           return getState();
       }

       //获取同步状态
       protected int tryAcquireShared(int acquires) {
           return (getState() == 0) ? 1 : -1;
       }

       //释放同步状态
       protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
           for (;;) {
               int c = getState();
               if (c == 0)
                   return false;
               int nextc = c-1;
               if (compareAndSetState(c, nextc))
                   return nextc == 0;
           }
       }
   }

通过这个内部类Sync我们可以清楚地看到CountDownLatch是采用共享锁来实现的。

await()

CountDownLatch提供await()方法来使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断，定义如下：

   public void await() throws InterruptedException {
       sync.acquireSharedInterruptibly(1);
   }

await其内部使用AQS的acquireSharedInterruptibly(int arg)：

   public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
           throws InterruptedException {
       if (Thread.interrupted())
           throw new InterruptedException();
       if (tryAcquireShared(arg) < 0)
           doAcquireSharedInterruptibly(arg);
   }

在内部类Sync中重写了tryAcquireShared(int arg)方法：

       protected int tryAcquireShared(int acquires) {
           return (getState() == 0) ? 1 : -1;
       }

getState()获取同步状态，其值等于计数器的值，从这里我们可以看到如果计数器值不等于0，则会调用doAcquireSharedInterruptibly(int arg)，该方
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法为一个自旋方法会尝试一直去获取同步状态：

   private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
           throws InterruptedException {
       final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
       boolean failed = true;
       try {
           for (;;) {
               final Node p = node.predecessor();
               if (p == head) {
                   /**
                    * 对于CountDownLatch而言，如果计数器值不等于0，那么r 会一直小于0
                    */
                   int r = tryAcquireShared(arg);
                   if (r >= 0) {
                       setHeadAndPropagate(node, r);
                       p.next = null; // help GC
                       failed = false;
                       return;
                   }
               }
               //等待
               if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                       parkAndCheckInterrupt())
                   throw new InterruptedException();
           }
       } finally {
           if (failed)
               cancelAcquire(node);
       }
   }

countDown()

CountDownLatch提供countDown() 方法递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。

   public void countDown() {
       sync.releaseShared(1);
   }

内部调用AQS的releaseShared(int arg)方法来释放共享锁同步状态：

   public final boolean releaseShared(int arg) {
       if (tryReleaseShared(arg)) {
           doReleaseShared();
           return true;
       }
       return false;
   }

tryReleaseShared(int arg)方法被CountDownLatch的内部类Sync重写：

   protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
       for (;;) {
           //获取锁状态
           int c = getState();
           //c == 0 直接返回，释放锁成功
           if (c == 0)
               return false;
           //计算新“锁计数器”
           int nextc = c-1;
           //更新锁状态（计数器）
           if (compareAndSetState(c, nextc))
               return nextc == 0;
       }
   }

总结

CountDownLatch内部通过共享锁实现。在创建CountDownLatch实例时，需要传递一个int型的参数：count，该参数为计数器的初始值，也可以理解为该共享锁可以获取的总次数。当某个线程调用await()方法，程序首先判断count的值是否为0，如果不会0的话则会一直等待直到为0为止。当其他线程调用countDown()方法时，则执行释放共享锁状态，使count值 - 1。当在创建CountDownLatch时初始化的count参数，必须要有count线程调用countDown方法才会使计数器count等于0，锁才会释放，前面等待的线程才会继续运行。注意CountDownLatch不能回滚重置。关于共享锁的请参考：[【死磕Java并发】-----J.U.C之AQS：同步状态的获取与释放]()

应用示例

示例仍然使用开会案例。老板进入会议室等待5个人全部到达会议室才会开会。所以这里有两个线程老板等待开会线程、员工到达会议室：

public class CountDownLatchTest {
   private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);

   /**
    * Boss线程，等待员工到达开会
    */
   static class BossThread extends Thread{
       @Override
       public void run() {
           System.out.println("Boss在会议室等待，总共有" + countDownLatch.getCount() + "个人开会...");
           try {
               //Boss等待
               countDownLatch.await();
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }

           System.out.println("所有人都已经到齐了，开会吧...");
       }
   }

   //员工到达会议室
   static class EmpleoyeeThread  extends Thread{
       @Override
       public void run() {
           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，到达会议室....");
           //员工到达会议室 count - 1
           countDownLatch.countDown();
       }
   }

   public static void main(String[] args){
       //Boss线程启动
       new BossThread().start();

       for(int i = 0 ; i < countDownLatch.getCount() ; i++){
           new EmpleoyeeThread().start();
       }
   }
}

运行结果：


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