☕【Java深层系列】「并发编程系列」让我们一起探索一下CountDownLatch的技术原理和源码分析
CountDownLatch工作原理分析 一、大致介绍 那么本篇文章和大家分享分析一下JDK1.8的CountDownLatch的工作原理； 简单认识CountDownLatch 何为CountDownLatch？ CountDownLatch从字面上理解，count计数做down的减法动作，而Latch又是门闩的意思； CountDownLatch是一种同步帮助，允许一个或多个线程等待，直到在其他线程中执行的一组操作完成； CountDownLatch内部没有所谓的公平锁\非公平锁的静态内部类，只有一个Sync静态内部类，CountDownLatch内部基本上也是通过sync.xxx之类的这种调用方式的； CountDownLatch内部维护了一个虚拟的资源池，如果许可数不为为0一直线程阻塞等待，直到许可数为0时才释放继续往下执行； CountDownLatch的state关键词 其实CountDownLatch的实现也恰恰很好利用了其父类AQS的state变量值； 初始化一个数量值作为计数器的默认值，假设为N，那么当任何线程调用一次countDown则计数值减1，直到许可为0时才释放等待； CountDownLatch，简单大致意思为：A组线程等待另外B组线程，B组线程执行完了，A组线程才可以执行； 常用重要的方法 创建一个给定许计数值的计数同步器对象 public CountDownLatch(int count) 入队等待，直到计数器值为0则释放等待 public void await() 释放许可，计数器值减1，若计数器值为0则触发释放无用结点 public void countDown() 获取目前最新的共享资源计数器值 public long getCount() 设计与实现伪代码 获取共享锁： 如果检测中断状态发现被中断过的话，那么则抛出InterruptedException异常 如果尝试获取共享锁失败的话( 尝试获取共享锁的各种方式由AQS的子类实现 )， 那么就新增共享锁结点通过自旋操作加入到队列中，然后通过调用LockSupport.park进入阻塞等待，直到计数器值为零才释放等待 public void await() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1); } 释放共享锁： 如果尝试释放共享锁失败的话( 尝试释放共享锁的各种方式由AQS的子类实现 )， 那么通过自旋操作完成阻塞线程的唤起操作 public void countDown() { sync.releaseShared(1); } CountDownLatch生活细节化理解 比如百米赛跑，我就以赛跑为例生活化阐述该CountDownLatch原理： 1、场景：百米赛跑十人参赛，终点处有一个裁判计数； 2、开跑一声起跑信号，十个人争先恐后的向终点跑去，真的是振奋多秒，令人振奋； 3、当一个人到达终点，这个人就完成了他的赛跑事情了，就没事一边玩去了，那么裁判则减去一个人； 4、随着人员陆陆续续的都跑到了终点，最后裁判计数显示还有0个人未到达，意思就是人员都达到了； 5、然后裁判就拿着登记的成绩屁颠屁颠去输入电脑登记了； 6、到此打止，这一系列的动作认为是A组线程等待另外其他组线程的操作，直到计数器为零，那么A则再干其他事情； 源码分析CountDownLatch CountDownLatch构造器 构造器源码： /** * Constructs a {@code CountDownLatch} initialized with the given count. * * @param count the number of times {@link #countDown} must be invoked * before threads can pass through {@link #await} * @throws IllegalArgumentException if {@code count} is negative */ public CountDownLatch(int count) { if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0"); this.sync = new Sync(count); } 2、创建一个给定许计数值的计数同步器对象，计数器值必须大于零，count值最后赋值给了state这个共享资源值； Sync同步器 AQS --> Sync CountDownLatch内的同步器都是通过Sync抽象接口来操作调用关系的，细看会发现基本上都是通过sync.xxx之类的这种调用方式的； await() 源码 /** * Causes the current thread to wait until the latch has counted down to * zero, unless the thread is {@linkplain Thread#interrupt interrupted}. * * // 导致当前线程等待，直到计数器值减为零则释放等待，或者由于线程被中断也可导致释放等待； * * <p>If the current count is zero then this method returns immediately. * * <p>If the current count is greater than zero then the current * thread becomes disabled for thread scheduling purposes and lies * dormant until one of two things happen: * <ul> * <li>The count reaches zero due to invocations of the * {@link #countDown} method; or * <li>Some other thread {@linkplain Thread#interrupt interrupts} * the current thread. * </ul> * * <p>If the current thread: * <ul> * <li>has its interrupted status set on entry to this method; or * <li>is {@linkplain Thread#interrupt interrupted} while waiting, * </ul> * then {@link InterruptedException} is thrown and the current thread's * interrupted status is cleared. * * @throws InterruptedException if the current thread is interrupted * while waiting */ public void await() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1); } await此方法被调用后，则一直会处于等待状态，其核心还是由于调用了LockSupport.park进入阻塞等待； 当计数器值state=0时可以打破等待现状，当然还有线程被中断后也可以打破线程等待现状； acquireSharedInterruptibly(int) 源码： /** * Acquires in shared mode, aborting if interrupted. Implemented * by first checking interrupt status, then invoking at least once * {@link #tryAcquireShared}, returning on success. Otherwise the * thread is queued, possibly repeatedly blocking and unblocking, * invoking {@link #tryAcquireShared} until success or the thread * is interrupted. * @param arg the acquire argument. * This value is conveyed to {@link #tryAcquireShared} but is * otherwise uninterpreted and can represent anything * you like. * @throws InterruptedException if the current thread is interrupted */ public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) // 调用之前先检测该线程中断标志位，检测该线程在之前是否被中断过 throw new InterruptedException(); // 若被中断过的话，则抛出中断异常 if (tryAcquireShared(arg) < 0) // 尝试获取共享资源锁，小于0则获取失败，此方法由AQS的具体子类实现 doAcquireSharedInterruptibly(arg); // 将尝试获取锁资源的线程进行入队操作 } 由于是实现同步计数器功能，所以tryAcquireShared首次调用必定小于0，则就顺利了进入了doAcquireSharedInterruptibly线程等待； 至于首次调用为什么会小于0，请看子类的实现，子类的实现判断为 "(getState() == 0) ? 1 : -1" ; 3.5、tryAcquireShared(int) 源码 protected int tryAcquireShared(int acquires) { return (getState() == 0) ? 1 : -1; // 计数器值与零比较判断，小于零则获取锁失败，大于零则获取锁成功 } 尝试获取共享锁资源，但是在计数器CountDownLatch这个功能中，小于零则需要入队，进入阻塞队列进行等待；大于零则唤醒等待队列，释放await方法的阻塞等待； doAcquireSharedInterruptibly(int) 源码 /** * Acquires in shared interruptible mode. * @param arg the acquire argument */ private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { // 按照给定的mode模式创建新的结点，模式有两种：Node.EXCLUSIVE独占模式、Node.SHARED共享模式； final Node node = addWaiter(Node.SHARED); // 创建共享模式的结点 boolean failed = true; try { for (;;) { // 自旋的死循环操作方式 final Node p = node.predecessor(); // 获取结点的前驱结点 if (p == head) { // 若前驱结点为head的话，那么说明当前结点自然不用说了，仅次于老大之后的便是老二了咯 int r = tryAcquireShared(arg); // 而且老二也希望尝试去获取一下锁，万一头结点恰巧刚刚释放呢？希望还是要有的，万一实现了呢 if (r >= 0) { // 若r>=0，说明已经成功的获取到了共享锁资源 setHeadAndPropagate(node, r); // 把当前node结点设置为头结点，并且调用doReleaseShared释放一下无用的结点 p.next = null; // help GC failed = false; return; } // 但是在await方法首次被调用会流转到此，这个时候获取锁资源会失败，即r<0，所以会进入是否需要休眠的判断 // 但是第一次进入休眠方法，因为被创建的结点waitStatus=0，所以会被修改一次为SIGNAL状态，再次循环一次 // 而第二次循环进入shouldParkAfterFailedAcquire方法时，返回true就是需要休眠，则顺利调用park方式阻塞等待 } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 根据前驱结点看看是否需要休息一会儿 parkAndCheckInterrupt()) // 阻塞操作，正常情况下，获取不到共享锁，代码就在该方法停止了，直到被唤醒 // 被唤醒后，发现parkAndCheckInterrupt()里面检测了被中断了的话，则补上中断异常，因此抛了个异常 throw new InterruptedException(); } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } doAcquireSharedInterruptibly在实现计数器原理的时候，主要的干的事情就是等待再等待，等到计数器值为零时才苏醒； countDown() 源码 /** * Decrements the count of the latch, releasing all waiting threads if * the count reaches zero. * * <p>If the current count is greater than zero then it is decremented. * If the new count is zero then all waiting threads are re-enabled for * thread scheduling purposes. * * <p>If the current count equals zero then nothing happens. */ public void countDown() { sync.releaseShared(1); // 释放一个许可资源 } 释放许可资源，也就是计数器值不断的做减1操作，当计数器值为零的时候，该方法将会释放所有正在等待的线程队列；至于为什么还会释放所有，请看后续的releaseShared(int arg)讲解； releaseShared(int) 源码： /** * Releases in shared mode. Implemented by unblocking one or more * threads if {@link #tryReleaseShared} returns true. * * @param arg the release argument. This value is conveyed to * {@link #tryReleaseShared} but is otherwise uninterpreted * and can represent anything you like. * @return the value returned from {@link #tryReleaseShared} */ public final boolean releaseShared(int arg) { if (tryReleaseShared(arg)) { // 尝试释放共享锁资源，此方法由AQS的具体子类实现 doReleaseShared(); // 自旋操作，唤醒后继结点 return true; // 返回true表明所有线程已释放 } return false; // 返回false表明目前还没释放完全，只要计数器值不为零的话，那么都会返回false } releaseShared方法首先就判断了tryReleaseShared(arg)的返回值，但是计数器值只要不为零，都会返回false，因此releaseShared该方法就立马返回false了； 所以当计数器值慢慢减至零时，则立马返回true，那么也就立马会调用doReleaseShared释放所有等待的线程队列； tryReleaseShared(int) 源码： // CountDownLatch 的静态内部类 Sync 类的 tryReleaseShared 方法 protected boolean tryReleaseShared(int releases) { // Decrement count; signal when transition to zero for (;;) { // 自旋的死循环操作方式 int c = getState(); // 获取最新的计数器值 if (c == 0) // 若计数器值为零，说明已经通过CAS操作减至零了，所以在并发中读取到零时并不需要做什么操作，因此返回false return false; int nextc = c-1; // 计数器值减1操作 if (compareAndSetState(c, nextc)) // 通过CAS比较，顺利情况下设置成功返回true return nextc == 0; // 当通过计算操作得到的nextc为零时通过CAS修改成功，那么表明所有事情都已经做完，需要释放所有等待的线程队列 // 若CAS失败，想都不用想肯定是由于并发操作，导致CAS失败，那么唯一可做的就是下一次循环查看是否已经被其他线程处理了 } } CountDownLatch的静态内部类实现父类AQS的方法，用来处理如何释放锁，笼统的讲，若返回负数则需要进入阻塞队列，否则需要释放所有等待队列； doReleaseShared() 主要目的是释放线程中所有等待的队列，当计数器值为零时，此方法马上会被调用，通过自旋方式轮询干掉所有等待的队列； /** * Release action for shared mode -- signals successor and ensures * propagation. (Note: For exclusive mode, release just amounts * to calling unparkSuccessor of head if it needs signal.) */ 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. */ for (;;) { // 自旋的死循环操作方式 Node h = head; // 每次都是取出队列的头结点 if (h != null && h != tail) { // 若头结点不为空且也不是队尾结点 int ws = h.waitStatus; // 那么则获取头结点的waitStatus状态值 if (ws == Node.SIGNAL) { // 若头结点是SIGNAL状态则意味着头结点的后继结点需要被唤醒了 // 通过CAS尝试设置头结点的状态为空状态，失败的话，则继续循环，因为并发有可能其它地方也在进行释放操作 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) continue; // loop to recheck cases unparkSuccessor(h); // 唤醒头结点的后继结点 } // 如头结点为空状态，则把其改为PROPAGATE状态，失败的则可能是因为并发而被改动过，则再次循环处理 else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) continue; // loop on failed CAS } // 若头结点没有发生什么变化，则说明上述设置已经完成，大功告成，功成身退 // 若发生了变化，可能是操作过程中头结点有了新增或者啥的，那么则必须进行重试，以保证唤醒动作可以延续传递 if (h == head) // loop if head changed break; } } 总结 1、有了分析AQS的基础后，再来分析CountDownLatch便快了很多； 2、在这里我简要总结一下CountDownLatch的流程的一些特性： • 管理一个大于零的计数器值； • 每countDown一次则state就减1一次，直到许可证数量等于0则释放队列中所有的等待线程； • 也可以通过countDown/await组合一起使用，来实现CyclicBarrier的功能； CountDownLatch用法 CountDownLatch类只提供了一个构造器： public CountDownLatch(int count) { }; //参数count为计数值 然后下面这3个方法是CountDownLatch类中最重要的方法： public void await() throws InterruptedException { }; //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 boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //和await()类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行 public void countDown() { }; //将count值减1 CountDownLatch， 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。 举个例子说明： package main.java.CountDownLatch; import java.util.concurrent.CountDownLatch; public class countDownlatchTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5); for(int i=0;i<5;i++){ new Thread(new readNum(i,countDownLatch)).start(); } countDownLatch.await(); System.out.println("线程执行结束。。。。"); } static class readNum implements Runnable{ private int id; private CountDownLatch latch; public readNum(int id,CountDownLatch latch){ this.id = id; this.latch = latch; } @Override public void run() { synchronized (this){ System.out.println("id:"+id); latch.countDown(); System.out.println("线程组任务"+id+"结束，其他任务继续"); } } } } 输出结果： id:1 线程组任务1结束，其他任务继续 id:0 线程组任务0结束，其他任务继续 id:2 线程组任务2结束，其他任务继续 id:3 线程组任务3结束，其他任务继续 id:4 线程组任务4结束，其他任务继续 线程执行结束。。。。 线程在countDown()之后，会继续执行自己的任务
