Java多线程系列--“JUC锁”09之 CountDownLatch原理和示例

CountDownLatch简介

CountDownLatch是一个同步辅助类，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。

CountDownLatch和CyclicBarrier的区别
(01) 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。
(02) 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。
关于CyclicBarrier的原理，后面一章再来学习。

CountDownLatch函数列表

CountDownLatch(int count)

构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch。

// 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。

void await()

// 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。

boolean await(long timeout, TimeUnit unit)

// 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。

void countDown()

// 返回当前计数。

long getCount()

// 返回标识此锁存器及其状态的字符串。

String toString()

在JDK API中是这样阐述的：

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。

CountDownLatch 是一个通用同步工具，它有很多用途。将计数 1 初始化的 CountDownLatch 用作一个简单的开/关锁存器，或入口：在通过调用 countDown() 的线程打开入口前，所有调用 await 的线程都一直在入口处等待。用 N 初始化的 CountDownLatch 可以使一个线程在 N 个线程完成某项操作之前一直等待，或者使其在某项操作完成 N 次之前一直等待。

CountDownLatch 的一个有用特性是，它不要求调用 countDown 方法的线程等到计数到达零时才继续，而在所有线程都能通过之前，它只是阻止任何线程继续通过一个 await。

虽然，CountDownlatch与CyclicBarrier有那么点相似，但是他们还是存在一些区别的：

1、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。

2、 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

CountDownLatch数据结构

CountDownLatch的UML类图如下：

Java - "JUC" CountDownLatch源码分析

CountDownLatch的数据结构很简单，它是通过"共享锁"实现的。它包含了sync对象，sync是Sync类型。Sync是实例类，它继承于AQS。

CountDownLatch的使用示例

下面通过CountDownLatch实现："主线程"等待"5个子线程"全部都完成"指定的工作(休眠1000ms)"之后，再继续运行。

 1 import java.util.concurrent.CountDownLatch;

 2 import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

 3

 4 public class CountDownLatchTest1 {

 5

 6     private static int LATCH_SIZE = 5;

 7     private static CountDownLatch doneSignal;

 8     public static void main(String[] args) {

 9

10         try {

11             doneSignal = new CountDownLatch(LATCH_SIZE);

12

13             // 新建5个任务

14             for(int i=0; i<LATCH_SIZE; i++)

15                 new InnerThread().start();

16

17             System.out.println("main await begin.");

18             // "主线程"等待线程池中5个任务的完成

19             doneSignal.await();

20

21             System.out.println("main await finished.");

22         } catch (InterruptedException e) {

23             e.printStackTrace();

24         }

25     }

26

27     static class InnerThread extends Thread{

28         public void run() {

29             try {

30                 Thread.sleep(1000);

31                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 1000ms.");

32                 // 将CountDownLatch的数值减1

33                 doneSignal.countDown();

34             } catch (InterruptedException e) {

35                 e.printStackTrace();

36             }

37         }

38     }

39 }

运行结果：

main await begin.

Thread-0 sleep 1000ms.

Thread-2 sleep 1000ms.

Thread-1 sleep 1000ms.

Thread-4 sleep 1000ms.

Thread-3 sleep 1000ms.

main await finished.

结果说明：主线程通过doneSignal.await()等待其它线程将doneSignal递减至0。其它的5个InnerThread线程，每一个都通过doneSignal.countDown()将doneSignal的值减1；当doneSignal为0时，main被唤醒后继续执行。

CountDownLatch源码分析(基于JDK1.7.0_40)

CountDownLatch是通过“共享锁”实现的。下面，我们分析CountDownLatch中3个核心函数: CountDownLatch(int count), await(), countDown()。

1. CountDownLatch(int count)

public CountDownLatch(int count) {

    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");

    this.sync = new Sync(count);

}

说明：该函数是创建一个Sync对象，而Sync是继承于AQS类。Sync构造函数如下：

Sync(int count) {

    setState(count);

}

setState()在AQS中实现，源码如下：

protected final void setState(long newState) {

    state = newState;

}

说明：在AQS中，state是一个private volatile long类型的对象。对于CountDownLatch而言，state表示的”锁计数器“。CountDownLatch中的getCount()最终是调用AQS中的getState()，返回的state对象，即”锁计数器“。

2. await()

public void await() throws InterruptedException {

    sync.acquireSharedInterruptibly(1);

}

说明：该函数实际上是调用的AQS的acquireSharedInterruptibly(1);

AQS中的acquireSharedInterruptibly()的源码如下：

public final void acquireSharedInterruptibly(long arg)

        throws InterruptedException {

    if (Thread.interrupted())

        throw new InterruptedException();

    if (tryAcquireShared(arg) < 0)

        doAcquireSharedInterruptibly(arg);

}

说明：acquireSharedInterruptibly()的作用是获取共享锁。
如果当前线程是中断状态，则抛出异常InterruptedException。否则，调用tryAcquireShared(arg)尝试获取共享锁；尝试成功则返回，否则就调用doAcquireSharedInterruptibly()。doAcquireSharedInterruptibly()会使当前线程一直等待，直到当前线程获取到共享锁(或被中断)才返回。

tryAcquireShared()在CountDownLatch.java中被重写，它的源码如下：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {

    return (getState() == 0) ? 1 : -1;

}

说明：tryAcquireShared()的作用是尝试获取共享锁。
如果"锁计数器=0"，即锁是可获取状态，则返回1；否则，锁是不可获取状态，则返回-1。

private void doAcquireSharedInterruptibly(long arg)

    throws InterruptedException {

    // 创建"当前线程"的Node节点，且Node中记录的锁是"共享锁"类型；并将该节点添加到CLH队列末尾。

    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);

    boolean failed = true;

    try {

        for (;;) {

            // 获取上一个节点。

            // 如果上一节点是CLH队列的表头，则"尝试获取共享锁"。

            final Node p = node.predecessor();

            if (p == head) {

                long r = tryAcquireShared(arg);

                if (r >= 0) {

                    setHeadAndPropagate(node, r);

                    p.next = null; // help GC

                    failed = false;

                    return;

                }

            }

            // (上一节点不是CLH队列的表头) 当前线程一直等待，直到获取到共享锁。

            // 如果线程在等待过程中被中断过，则再次中断该线程(还原之前的中断状态)。

            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                parkAndCheckInterrupt())

                throw new InterruptedException();

        }

    } finally {

        if (failed)

            cancelAcquire(node);

    }

}

说明：
(01) addWaiter(Node.SHARED)的作用是，创建”当前线程“的Node节点，且Node中记录的锁的类型是”共享锁“(Node.SHARED)；并将该节点添加到CLH队列末尾。关于Node和CLH在"Java多线程系列--“JUC锁”03之公平锁(一)"已经详细介绍过，这里就不再重复说明了。
(02) node.predecessor()的作用是，获取上一个节点。如果上一节点是CLH队列的表头，则”尝试获取共享锁“。
(03) shouldParkAfterFailedAcquire()的作用和它的名称一样，如果在尝试获取锁失败之后，线程应该等待，则返回true；否则，返回false。
(04) 当shouldParkAfterFailedAcquire()返回ture时，则调用parkAndCheckInterrupt()，当前线程会进入等待状态，直到获取到共享锁才继续运行。
doAcquireSharedInterruptibly()中的shouldParkAfterFailedAcquire(), parkAndCheckInterrupt等函数在"Java多线程系列--“JUC锁”03之公平锁(一)"中介绍过，这里也就不再详细说明了。

3. countDown()

public void countDown() {

    sync.releaseShared(1);

}

说明：该函数实际上调用releaseShared(1)释放共享锁。

releaseShared()在AQS中实现，源码如下：

public final boolean releaseShared(int arg) {

    if (tryReleaseShared(arg)) {

        doReleaseShared();

        return true;

    }

    return false;

}

说明：releaseShared()的目的是让当前线程释放它所持有的共享锁。
它首先会通过tryReleaseShared()去尝试释放共享锁。尝试成功，则直接返回；尝试失败，则通过doReleaseShared()去释放共享锁。

tryReleaseShared()在CountDownLatch.java中被重写，源码如下：

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {

    // Decrement count; signal when transition to zero

    for (;;) {

        // 获取“锁计数器”的状态

        int c = getState();

        if (c == 0)

            return false;

        // “锁计数器”-1

        int nextc = c-1;

        // 通过CAS函数进行赋值。

        if (compareAndSetState(c, nextc))

            return nextc == 0;

    }

}

说明：tryReleaseShared()的作用是释放共享锁，将“锁计数器”的值-1。

总结：CountDownLatch是通过“共享锁”实现的。在创建CountDownLatch中时，会传递一个int类型参数count，该参数是“锁计数器”的初始状态，表示该“共享锁”最多能被count给线程同时获取。当某线程调用该CountDownLatch对象的await()方法时，该线程会等待“共享锁”可用时，才能获取“共享锁”进而继续运行。而“共享锁”可用的条件，就是“锁计数器”的值为0！而“锁计数器”的初始值为count，每当一个线程调用该CountDownLatch对象的countDown()方法时，才将“锁计数器”-1；通过这种方式，必须有count个线程调用countDown()之后，“锁计数器”才为0，而前面提到的等待线程才能继续运行！

以上，就是CountDownLatch的实现原理。

2017年8月

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