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Java并发编程笔记之 CountDownLatch闭锁的源码分析

2018.07.07 21:15 9526浏览

JUC 中倒数计数器 CountDownLatch 的使用与原理分析,当需要等待多个线程执行完毕后在做一件事情时候 CountDownLatch 是比调用线程的 join 方法更好的选择,CountDownLatch 与 线程的 join 方法区别是什么?

日常开发中经常会遇到需要在主线程中开启多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,它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时就代表条件已成熟,所有因调用await方法而阻塞的线程都会被唤醒。这就是CountDownLatch的内部机制,看起来很简单,无非就是阻塞一部分线程让其在达到某个条件之后再执行。但是CountDownLatch的应用场景却比较广泛,只要你脑洞够大利用它就可以玩出各种花样。最常见的一个应用场景是开启多个线程同时执行某个任务,等到所有任务都执行完再统计汇总结果。下图动态演示了闭锁阻塞线程的整个过程。

https://img3.sycdn.imooc.com/5b40bcd50001733102420208.jpg 

 

在CountDownLatch出现之前一般都是使用线程的join()方法来实现,但是join不够灵活,不能够满足不同场景的需求。接下来我们看看CountDownLatch的原理实现。

 

一.CountDownLatch原理探究

  从CountDownLatch的名字可以猜测内部应该有个计数器,并且这个计数器是递减的,下面就通过源码看看JDK开发组是何时初始化计数器,何时递减的,计数器变为 0 的时候做了什么操作,多个线程是如何通过计时器值实现同步的,首先我们先看看CountDownLatch内部结构,类图如下:

https://img2.sycdn.imooc.com/5b40bcbf00018d8706320278.jpg

从类图可以知道CountDownLatch内部还是使用AQS实现的,通过下面构造函数初始化计数器的值,可知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。

构造函数源码如下:

复制代码

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

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

复制代码

接下来主要看一下CountDownLatch中几个重要的方法内部是如何调用AQS来实现功能的。

  1.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,直到下面的情况之一才会返回:(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

AQS的方法的,源码如下:

复制代码

//CountDownLatch的await()方法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;
 }

复制代码

  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 。

 

  2.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,直到下面的情况之一发生才会返回: (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。源码如下:

public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

 

  3.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,接下来看一下countDown()方法内部是如何调用AQS的方法的,源码如下:

复制代码

   //CountDownLatch的countDown()方法
    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;
    }

复制代码

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,源码如下:

复制代码

//syn的方法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;
  }
}

复制代码

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。

 

  4.long getCount() 获取当前计数器的值,也就是 AQS 的 state 的值,一般在 debug 测试时候使用,源码如下:

复制代码

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

复制代码

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)。

 

到目前为止原理理解的差不多了,接下来用一个例子进行讲解CountDownLatch的用法,例子如下:

复制代码

package com.hjc;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/**
 * Created by cong on 2018/7/6. */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.....");

    }
}

复制代码

运行结果如下:

 https://img1.sycdn.imooc.com/5b40bcaf00019b4a11560278.jpg

 

如上代码,创建了一个 CountDownLatch 实例,因为有两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。

 

如果把上面的代码中Thread.sleep和countDownLatch.await()的代码注释掉,运行几遍,运行结果就可能会出现如下结果,如下图:

https://img2.sycdn.imooc.com/5b40bca4000189a210060262.jpg

 可以看到在注释掉latch.await()这行之后,就不能保证在所有玩家入场后才开始发牌了。

 

总结: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。

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