CountDownLatch简介

CountDownLatch是一种java.util.concurrent包下一个同步工具类,它允许一个或多个线程等待直到在其他线程操作执行完成。

使用场景:

在开发过程中,经常会遇到需要在主线程中开启多条线程去并行执行任务,并且主线程需要等待所有子线程执行完毕后再进行汇总的场景,
CountDownLatch的内部提供了一个计数器,在构造闭锁时必须指定计数器的初始值,且计数器的初始值必须大于0。另外它还提供了一个countDown方法来操作计数器的值,每调用一次countDown方法计数器都会减1,直到计数器的值减为0,
它表示所有的线程已经完成了任务,然后在闭锁上等待的线程就可以恢复执行任务。

CountDownLatch原理

CountDownLatch底层依靠的是AQS,通过构造函数初始化计数器时,实际上是
把计数器的值赋值给了AQS的state,也就是这里AQS的状态值来表示计数器值。

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

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

await方法

void await()方法,当前线程调用了CountDownLatch对象的await方法后,当前线程会被阻塞,直到出现下面情况之一时才会返回:

  1. 当所有线程都调用了CountDownLatch对象的countDown方法后,也就是说计时器值为 0 的时候。
  2. 其他线程调用了当前线程的interrupt()方法中断了当前线程,当前线程会抛出InterruptedException异常后返回。接下来让我们看看await()方法内部是如何调用
public void await() throws InterruptedException {
   sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
//AQS的获取共享资源时候可被中断的方法
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {
    //如果线程被中断则抛异常
    if (Thread.interrupted())
         throw new InterruptedException();
        //尝试看当前是否计数值为0,为0则直接返回,否者进入AQS的队列等待
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
         doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

//sync类实现的AQS的接口
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
      return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

从上面代码可以看到await()方法委托sync调用了AQS的acquireSharedInterruptibly方法,该方法的特点是线程获取资源的时候可以被中断,并且获取到的资源是共享资源,这里为什么要调用AQS的这个方法,而不是调用独占锁的accquireInterruptibly方法呢?这是因为这里状态值需要的并不是非 0 即 1 的效果,而是和初始化时候指定的计数器值有关系,比如你初始化的时候计数器值为 8 ,那么state的值应该就有 0 到 8 的状态,而不是只有  0  和  1 的独占效果。

这里await()方法调用acquireSharedInterruptibly的时候传递的是 1 ,就是说明要获取一个资源,而这里计数器值是资源总数,也就是意味着是让总的资源数减 1 ,acquireSharedInterruptibly内部首先判断如果当前线程被中断了则抛出异常,否则调用sync实现的tryAcquireShared方法看当前状态值(计数器值)是否为 0  ,是则当前线程的await()方法直接返回,否则调用AQS的doAcquireSharedInterruptibly让当前线程阻塞。另外调用tryAcquireShared的方法仅仅是检查当前状态值是不是为 0 ,并没有调用CAS让当前状态值减去 1 。

boolean await(long timeout, TimeUnit unit)

当线程调用了 CountDownLatch 对象的该方法后,当前线程会被阻塞,直到出现下面情况之一时才会返回:

  1. 当所有线程都调用了 CountDownLatch 对象的 countDown 方法后,也就是计时器值为 0 的时候,这时候返回 true.
  2. 设置的 timeout 时间到了,因为超时而返回 false.
  3. 其它线程调用了当前线程的 interrupt()方法中断了当前线程,当前线程会抛出 InterruptedException 异常后返回。
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

countDown方法

void countDown() 当前线程调用了该方法后,会递减计数器的值,递减后如果计数器为 0 则会唤醒所有调用await 方法而被阻塞的线程,否则什么都不做。

public void countDown() {
        //委托sync调用AQS的方法
	sync.releaseShared(1);
}
//AQS的方法
public final boolean releaseShared(int arg) {
	//调用sync实现的tryReleaseShared
	if (tryReleaseShared(arg)) {
		//AQS的释放资源方法
		doReleaseShared();
		return true;
	}
	return false;
}

如上面代码可以知道CountDownLatch的countDown()方法是委托sync调用了AQS的releaseShared方法,后者调用了sync 实现的AQS的tryReleaseShared

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
  //循环进行cas,直到当前线程成功完成cas使计数值(状态值state)减一并更新到state
  for (;;) {
      int c = getState();

      //如果当前状态值为0则直接返回(1)
      if (c == 0)
          return false;

      //CAS设置计数值减一(2)
      int nextc = c-1;
      if (compareAndSetState(c, nextc))
          return nextc == 0;
  }
}

如上代码可以看到首先获取当前状态值(计数器值),代码(1)如果当前状态值为 0 则直接返回 false ,则countDown()方法直接返回;否则执行代码(2)使用CAS设置计数器减一,CAS失败则循环重试,否则如果当前计数器为 0 则返回 true 。返回 true 后,说明当前线程是最后一个调用countDown()方法的线程,那么该线程除了让计数器减一外,还需要唤醒调用CountDownLatch的await 方法而被阻塞的线程。这里的代码(1)貌似是多余的,其实不然,之所以添加代码 (1) 是为了防止计数器值为 0 后,其他线程又调用了countDown方法,如果没有代码(1),状态值就会变成负数。

getCount()方法

long getCount() 获取当前计数器的值,也就是 AQS 的 state 的值。

public long getCount() {
     return sync.getCount();
}

int getCount() {
     return getState();
}

如上代码可知内部还是调用了 AQS 的 getState 方法来获取 state 的值(计数器当前值)。

使用方法(案例)

public class CountDownLatchTest {

    private static AtomicInteger id = new AtomicInteger();

    // 创建一个CountDownLatch实例,管理计数为ThreadNum
    private static volatile CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread threadOne = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }

                System.out.println("【玩家" + id.getAndIncrement() + "】已入场");
                countDownLatch.countDown();
            }
        });

        Thread threadTwo = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }

                System.out.println("【玩家" + id.getAndIncrement() + "】已入场");
                countDownLatch.countDown();

            }
        });

        Thread threadThree = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }

                System.out.println("【玩家" + id.getAndIncrement() + "】已入场");
                countDownLatch.countDown();

            }
        });

        // 启动子线程
        threadOne.start();
        threadTwo.start();
        threadThree.start();
        System.out.println("等待斗地主玩家进场");

        // 等待子线程执行完毕,返回
        countDownLatch.await();

        System.out.println("斗地主玩家已经满人,开始发牌.....");

    }
}
OutPut:
等待斗地主玩家进场
【玩家0】已入场
【玩家1】已入场
【玩家2】已入场
斗地主玩家已经满人,开始发牌.....

如上代码,创建了一个 CountDownLatch 实例,因为有三个子线程所以构造函数参数传递为 3,主线程调用 countDownLatch.await()方法后会被阻塞。子线程执行完毕后调用 countDownLatch.countDown() 方法让 countDownLatch 内部的计数器减一,等所有子线程执行完毕调用 countDown()后计数器会变为 0,这时候主线程的 await()才会返回。

CountDownLatch 与 join 方法的区别,一个区别是调用一个子线程的 join()方法后,该线程会一直被阻塞直到该线程运行完毕,而 CountDownLatch 则使用计数器允许子线程运行完毕或者运行中时候递减计数,也就是 CountDownLatch 可以在子线程运行任何时候让 await 方法返回而不一定必须等到线程结束;另外使用线程池来管理线程时候一般都是直接添加 Runable 到线程池这时候就没有办法在调用线程的 join 方法了,countDownLatch 相比 Join 方法让我们对线程同步有更灵活的控制。

转载自:Java并发编程笔记之 CountDownLatch闭锁的源码分析