CountDownLatch倒计时器源码解读与使用

news2024/11/15 14:06:10

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目录

1. 前言

2. CountDownLatch有什么用

3. CountDownLatch底层原理

3.1. countDown()方法

3.2. await()方法

4. CountDownLatch的基本使用

5. 总结

1. 前言

在很多的面经中都看到过提问 CountDownLatch 的问题，正好我们最近也在梳理学习AQS（抽象队列同步器）、CAS操作等知识，而 CountDownLatch 又是JUC包下一个比较常见的同步工具类，我们今天就继续来学一下这个同步工具类！

2. CountDownLatch有什么用

我们知道AQS是专属于构造锁和同步器的一个抽象工具类，基于它Java构造出了大量的常用同步工具，如ReentrantLock、Semaphore、ReentrantReadWriteLock、SynchronousQueue等等，我们今天的主角CountDownLatch同样如此。

CountDownLatch(倒时器)允许N个线程阻塞在同一个地方，直至所有线程的任务都执行完毕。CountDownLatch 有一个计数器，可以通过countDown()方法对计数器的数目进行减一操作，也可以通过await()方法来阻塞当前线程，直到计数器的值为 0。

这个就很类似我们的Moba类游戏的游戏加载过程，所有玩家几乎是一起进入游戏，加载快的玩家要等待加载慢的玩家，只有当全部玩家加载完成才能进入游戏，而CountDownLatch就类似于这个过程中的发令枪。

3. CountDownLatch底层原理

想要迅速了解一个Java类的内部构造，或者使用原理，最快速直接的办法就是看它的源码，这是很多初学者比较抵触的，会觉得很多封装起来的源码都晦涩难懂，诚然很多类内部实现是复杂，我也是慢慢从刚开始阅读Mybatis源码，到后来阅读JDK多线程相关的源码，尝试培养自己看源码的习惯，硬着头皮看段时间还是有不少收获的。

好的，我们直接进入CountDownLatch内部去看看它的底层原理吧

//几乎所有基于AQS构造的同步类，内部都需要一个静态内部类去继承AQS
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
     private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
     Sync(int count) {
         setState(count);
     }
     int getCount() {
         return getState();
     }
 }
private final Sync sync;
//构造方法中初始化count值
public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}

是不是很熟悉？对又是Sync，与 Semaphore信号量一样，几乎所有基于AQS构造的同步类，内部都需要一个静态内部类去继承AQS

3.1. countDown()方法

//核心方法，内部封装了共享模式下的线程释放
 public void countDown() {
 	//内部类Sync，继承了AQS
     sync.releaseShared(1);
 }
 //AQS内部的实现
 public final boolean releaseShared(int arg) {
  if (tryReleaseShared(arg)) {
  		//唤醒后继节点
         doReleaseShared();
         return true;
     }
     return false;
 }

在CountDownLatch中通过countDown来减少倒计时数，这是最重要的一个方法，我们继续跟进源码看到它通过releaseShared()方法去释放锁，这个方法是AQS内部的默认实现方法，而在这个方法中再一次的调用了tryReleaseShared(arg)，这是一个AQS的钩子方法，方法内部仅有默认的异常处理，真正的实现由CountDownLatch内部类Sync完成，如下

// 对 state 进行递减，直到 state 变成 0；
// 只有 count 递减到 0 时，countDown 才会返回 true
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // 自选检查 state 是否为 0
    for (;;) {
        int c = getState();
        // 如果 state 已经是 0 了，直接返回 false
        if (c == 0)
            return false;
        // 对 state 进行递减
        int nextc = c-1;
        // CAS 操作更新 state 的值
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

当这个tryReleaseShared函数返回true时，也就是state扣减到了零，就会调用doReleaseShared唤醒CLH队列中阻塞等待的线程

3.2. await()方法

除了countDown()方法外，在CountDownLatch中还有一个重要方法就是await，在多线程环境下，线程的执行顺序并不一致，因此，对于一个倒时器也说，先开始的线程应该阻塞等待直至最后一个线程执行完成，而实现这一效果的就是await()方法！

// 等待
public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// 带有超时时间的等待
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

其中await()方法可以配置带有时间参数的，表示最大阻塞时间，当调用 await() 的时候，我们会调用aqs的一个模板方法acquireSharedInterruptibly(arg)，如下：

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

 Thread.interrupted()为判断线程书否为中断状态，如果为中断状态，抛出中断异常，否则会调用tryAcquireShared(arg)方法，tryAcquireShared方法为AQS的钩子函数，由静态内部类Snyc实现，如下

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

也就是说，当前state = 0就返回1，也就不会执行doAcquireSharedInterruptibly(arg)，直接放行没有堵塞。否则会执行doAcquireSharedInterruptibly(arg)这个方法，这个方法内部主要是将当前线程加入CLH队列阻塞等待。

4. CountDownLatch的基本使用

由于await的实现步骤和countDown类似，我们就不贴源码了，大家自己跟进去也很容易看明白，我们现在直接来一个小demo感受一下如何使用CountDownLatch做一个倒时器

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个倒计数为 3 的 CountDownLatch
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

        Thread service1 = new Thread(new Service("3", 1000, latch));
        Thread service2 = new Thread(new Service("2", 2000, latch));
        Thread service3 = new Thread(new Service("1", 3000, latch));

        service1.start();
        service2.start();
        service3.start();

        // 等待所有服务初始化完成
        latch.await();
        System.out.println("发射");
    }

    static class Service implements Runnable {
        private final String name;
        private final int timeToStart;
        private final CountDownLatch latch;

        public Service(String name, int timeToStart, CountDownLatch latch) {
            this.name = name;
            this.timeToStart = timeToStart;
            this.latch = latch;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(timeToStart);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(name);
            // 减少倒计数
            latch.countDown();
        }
    }
}

输出结果

3
2
1
发射

 执行结果体现出了倒计时的效果每隔1秒进行3，2，1的倒数；其实除了倒计时器外CountDownLatch还有另外一个使用场景：实现多个线程开始执行任务的最大并行性

多个线程在某一时刻同时开始执行。类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。

具体做法是： 初始化一个共享的 CountDownLatch 对象，将其计数器初始化为 1 （new CountDownLatch(1)），多个线程在开始执行任务前首先 coundownlatch.await()，当主线程调用 countDown() 时，计数器变为 0，多个线程同时被唤醒。

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println("5位运动员就位！");
                    //等待发令枪响
                    countDownLatch.await();

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "起跑！");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        // 裁判准备发令
        Thread.sleep(2000);
        //发令枪响
        countDownLatch.countDown();
    }
}

 输出结果

5位运动员就位！
5位运动员就位！
5位运动员就位！
5位运动员就位！
5位运动员就位！
Thread-0起跑！
Thread-3起跑！
Thread-4起跑！
Thread-1起跑！
Thread-2起跑！

5. 总结

CountDownLatch 是一个多线程同步辅助类，它允许一个或多个线程等待一系列操作在其他线程中完成。这个机制类似于一场赛跑，选手们在起跑线准备，等待发令枪响后才能开始比赛。在 CountDownLatch 的场景中，线程们等待一个共同的信号，只有当计数器降至零时，它们才能继续执行。

CountDownLatch 提供了两个主要方法：countDown() 和 await()。countDown()方法用于将计数器减一，而 await() 方法会阻塞调用线程，直到计数器达到零。这种机制确保了所有线程都会等待必要的操作完成。

内部实现上，CountDownLatch 通过一个静态内部类 Sync 继承自 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。AQS 提供了一个框架，用于构建自定义的同步器。在 CountDownLatch 中，Sync 类通过重写 AQS 的钩子方法 tryReleaseShared() 和 tryAcquireShared() 来实现其同步机制。

  • tryReleaseShared() 方法用于在共享模式下尝试释放资源
  • tryAcquireShared() 方法用于在共享模式下尝试获取资源

我们可以发现，几乎所有基于AQS构造的同步类，实现原理都是差不多的，都是通过维护AQS中被volatile修饰的state变量作为竞态条件来实现线程同步。

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