【并发编程学习篇】深入理解CountDownLatch

news2024/10/1 3:26:06

一、CountDownLatch介绍

CountDownLatch（闭锁）是一个同步协助类，允许一个或多个线程等待，直到其他线程完成操作集。
CountDownLatch使用给定的计数值（count）初始化。
await方法会阻塞直到当前的计数值被countDown方法的调用达到0，count为0之后所有等待的线程都会被释放，并且随后对await方法的调用都会立即返回。
这是一个一次性现象 —— count不会被重置。如果你需要一个重置count的版本，那么请考虑使用CyclicBarrier。

二、CountDownLatch的使用

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构造器
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2.1 常用方法

 // 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 void await() throws InterruptedException { };  
// 和 await() 类似，若等待 timeout 时长后，count 值还是没有变为 0，不再等待，继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  
// 会将 count 减 1，直至为 0

三、CountDownLatch应用场景

CountDownLatch一般用作多线程倒计时计数器，强制它们等待其他一组（CountDownLatch的初始化决定）任务执行完成。

CountDownLatch的两种使用场景：

场景1：让多个线程等待
场景2：让单个线程等待。

3.1 场景1 让多个线程等待：模拟并发，让并发线程一起执行

public class CountDownLatchTest {
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    //准备完毕……运动员都阻塞在这，等待号令
                    countDownLatch.await();
                    String parter = "【" + Thread.currentThread().getName() + "】";
                    System.out.println(parter + "开始执行……");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(2000);// 裁判准备发令
        countDownLatch.countDown();// 发令枪：执行发令
    }

3.2 场景2 让单个线程等待：多个线程(任务)完成后，进行汇总合并

很多时候，我们的并发任务，存在前后依赖关系；
比如数据详情页需要同时调用多个接口获取数据，并发请求获取到数据后、需要进行结果合并；
或者多个数据操作完成后，需要数据check；这其实都是：在多个线程(任务)完成后，进行汇总合并的场景。

public class CountDownLatchTest2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int index = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000 + ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000));
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" finish task" + index );

                    countDownLatch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }

        // 主线程在阻塞，当计数器==0，就唤醒主线程往下执行。
        countDownLatch.await();
        System.out.println("主线程:在所有任务运行完成后，进行结果汇总");
    }

四、CountDownLatch实现原理

底层基于 AbstractQueuedSynchronizer 实现，CountDownLatch 构造函数中指定的count直接赋给AQS的state；
每次countDown()计数器值减一，最后减到0时unpark阻塞线程；这一步是由最后一个执行countdown方法的线程执行的。
而调用await()方法时，当前线程就会判断state属性是否为0，如果为0，则继续往下执行，如果不为0，则使当前线程进入等待状态，直到某个线程将state属性置为0，其就会唤醒在await()方法中等待的线程。

4.1 CountDownLatch与Thread.join的区别

CountDownLatch的作用就是允许一个或多个线程等待其他线程完成操作，看起来有点类似join() 方法，但其提供了比 join() 更加灵活的API。
CountDownLatch可以手动控制在n个线程里调用n次countDown()方法使计数器进行减一操作，也可以在一个线程里调用n次执行减一操作。
而 join() 的实现原理是不停检查join线程是否存活，如果 join 线程存活则让当前线程永远等待。所以两者之间相对来说还是CountDownLatch使用起来较为灵活。

五、CountDownLatch核心源码分析

5.1 从构造方法查看

// CountDownLatch 的有参构造
public CountDownLatch(int count) {
    // 健壮性校验
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    // 构建Sync给AQS的state赋值
    this.sync = new Sync(count);
}

5.2 countDown方法

// countDown方法,本质就是调用了AQS的释放共享锁操作
// 这里的功能都是AQS提供的，只有tryReleaseShared需要实现的类自己去编写业务
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        // 唤醒在AQS队列中排队的线程。
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

// countDownLatch实现的业务
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int c = getState();
        if (c == 0)
            return false;
        // state - 1
        int nextc = c-1;
        // 用CAS赋值
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}
// 如果CountDownLatch中的state已经为0了，那么再次执行countDown跟没执行一样。
// 而且只要state变为0，await就不会阻塞线程。

5.3 await方法

// await方法
public void await() throws InterruptedException {
    // 调用了AQS提供的获取共享锁并且允许中断的方法
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

// AQS提欧的获取共享锁并且允许中断的方法
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // countDownLatch操作
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        // 如果返回的是-1，代表state肯定大于0
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

// CountDownLatch实现的tryAcquireShared
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    // state为0，返回1,。否则返回-1
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

// 让当前线程进到AQS队列，排队去
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 将当前线程封装为Node，并且添加到AQS的队列中
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                // 再次走上面的tryAcquireShared，如果返回的是的1，代表state为0
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    // 会将当前线程和后面所有排队的线程都唤醒。
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}