Java同步器之辅助类CountDownLatch
JUC中的同步器三个主要的成员：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore。这三个是JUC中较为常用的同步器，通过它们可以方便地实现很多线程之间协作的功能。
一、概述
CountDownLatch是基于AQS实现，当构建count对象时，传入的值其实就会赋值给AQS的关键变量state，执行countDown()方法时，其实就是利用CAS将state-1，执行await方法时，其实就是判断state是否为0，不为0则加入到队列中，将该线程阻塞（除头节点），因为头节点会一直自旋等待state为0，当state为0时，头节点把剩余的队列中阻塞的节点一并唤醒。
二、使用案例
CountDownLatch的一个非常典型的应用场景是：有一个任务想要往下执行，但必须要等到其他的任务执行完毕后才可以继续往下执行。
假如我们这个想要继续往下执行的任务调用一个CountDownLatch对象的await()方法，其他的任务执行完自己的任务后调用同一个CountDownLatch对象上的countDown()方法，这个调用await()方法的任务将一直阻塞等待，直到这个CountDownLatch对象的计数值减到0为止。
举个例子，有三个工人在为老板干活，这个老板有一个习惯，就是当三个工人把一天的活都干完了的时候，他就来检查所有工人所干的活。记住这个条件：三个工人先全部干完活，老板才检查。所以在这里用Java代码设计两个类，Worker代表工人，Boss代表老板，具体的代码实现如下：
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class Worker implements Runnable {
private CountDownLatch downLatch;
private String name;
public Worker(CountDownLatch downLatch, String name) {
this.downLatch = downLatch;
this.name = name;
}
public void run() {
this.doWork();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
} catch (InterruptedException ie) {
}
System.out.println(this.name + "活干完了！");
this.downLatch.countDown();
}
private void doWork() {
System.out.println(this.name + "正在干活!");
}
}
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class Boss implements Runnable {
private CountDownLatch downLatch;
public Boss(CountDownLatch downLatch) {
this.downLatch = downLatch;
}
public void run() {
System.out.println("老板正在等所有的工人干完活......");
try {
this.downLatch.await();
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("工人活都干完了，老板开始检查了！");
}
}
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class CountDownLatchDemo {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
Worker w1 = new Worker(latch, "张三");
Worker w2 = new Worker(latch, "李四");
Worker w3 = new Worker(latch, "王二");
Boss boss = new Boss(latch);
executor.execute(w3);
executor.execute(w2);
executor.execute(w1);
executor.execute(boss);
executor.shutdown();
}
}
当你运行CountDownLatchDemo这个对象的时候，你会发现是等所有的工人都干完了活，老板才来检查，下面是我本地机器上运行的一次结果，可以肯定的每次运行的结果可能与下面不一样，但老板检查永远是在后面的。
王二正在干活!
李四正在干活!
老板正在等所有的工人干完活......
张三正在干活!
张三活干完了！
王二活干完了！
李四活干完了！
工人活都干完了，老板开始检查了！
三、源码分析
3.1 内部类
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
/** 构造方法，接收count值，只有count减小为0时，线程才不会被await方法阻塞 */
Sync(int count) {
// CountDownLatch利用AQS的方式就是直接让count作为AQS的同步变量state
// 所以直接用state记录count值
setState(count);
}
/** 获取当前的count值 */
int getCount() {
return getState();
}
/**
* 这是AQS的模板方法acquireShared、acquireSharedInterruptibly等方法内部将会调用的方法，
* 由子类实现，这个方法的作用是尝试获取一次共享锁，对于AQS来说，
* 此方法返回值大于等于0，表示获取共享锁成功，反之则获取共享锁失败，
* 而在这里，实际上就是判断count是否等于0，线程能否向下运行
*/
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
// 此处判断state的值是否为0，也就是判断count是否为0，
// 若count为0，返回1，表示获取锁成功，此时线程将不会阻塞，正常运行
// 若count不为0，则返回-1，表示获取锁失败，线程将会被阻塞
// 从这里我们已经可以看出CountDownLatch的实现方式了
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
/**
* 此方法的作用是用来是否AQS的共享锁，返回true表示释放成功，反之则失败
* 此方法将会在AQS的模板方法releaseShared中被调用，
* 在CountDownLatch中，这个方法用来减小count值
*/
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// 使用死循环不断尝试释放锁
for (; ; ) {
// 首先获取当前state的值，也就是count值
int c = getState();
// 若count值已经等于0，则不能继续减小了，于是直接返回false
// 为什么返回的是false，因为等于0表示之前等待的那些线程已经被唤醒了，
// 若返回true，AQS会尝试唤醒线程，若返回false，则直接结束，所以
// 在没有线程等待的情况下，返回false直接结束是正确的
if (c == 0)
return false;
// 若count不等于0，则将其-1
int nextc = c - 1;
// compareAndSetState的作用是将count值从c，修改为新的nextc
// 此方法基于CAS实现，保证了操作的原子性
if (compareAndSetState(c, nextc))
// 若nextc == 0，则返回的是true，表示已经没有锁了，线程可以运行了，
// 若nextc > 0，则表示线程还需要继续阻塞，此处将返回false
return nextc == 0;
}
}
}
内部类Sync的实现非常简单，它只实现了AQS中的两个方法，即tryAcquireShared以及tryReleaseShared，这两个方法是AQS提供的使用共享锁的接口。
这也就表明，CountDownLatch实际上是一种共享锁机制，即锁可以同时被多个线程获取，这个不难理解，因为一旦count被减小为0，则所有线程通过await方法时，都能够顺利通过，不会因为获取不到锁而阻塞。
而且从上面的实现中我们可以看到，Sync直接将count值作为AQS的state的值，只有state的值为0，线程才能获取锁，也就是获得执行权限。
3.2 成员变量和构造方法
/**
* 只有一个成员变量，就是内部类Sync的一个对象，通过此对象调用AQS的方法，实现线程阻塞和唤醒
*/
private final Sync sync;
/**
* 只有一个构造方法，接收一个count值
*/
public CountDownLatch(int count) {
// count值不能小于0
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
// 直接创建一个Sync对象，并传入count值，Sync内部将会执行setState(count)
this.sync = new Sync(count);
}
3.3 await
CountDownLatch类最最核心的两个方法就是await以及ountDown，我们先来看一看await方法的实现：
// 此方法用来让当前线程阻塞，直到count减小为0才恢复执行
public void await() throws InterruptedException {
// 这里直接调用sync的acquireSharedInterruptibly方法，这个方法定义在AQS中
// 方法的作用是尝试获取共享锁，若获取失败，则线程将会被加入到AQS的同步队列中等待
// 直到获取成功为止。且这个方法是会响应中断的，线程在阻塞的过程中，若被其他线程中断，
// 则此方法会通过抛出异常的方式结束等待。
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
await的实现异常简单，只有短短一行代码，调用了AQS中已经封装好的方法。这就是AQS的好处，AQS已经实现了线程的阻塞和唤醒机制，将实现的复杂性隐藏，而其他类只需要简单的使用它即可。
为了方便理解，我们还是来看看acquireSharedInterruptibly方法吧：
/** 此方法是AQS中提供的一个模板方法，用以获取共享锁，并且会响应中断 */
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 首先判断当前线程释放被中断，若被中断，则直接抛出异常结束
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 调用tryAcquireShared方法尝试获取锁，这个方法被Sycn类重写了，
// 若count == 0，则这个方法会返回1，表示获取锁成功，则这里会直接返回，线程不会被阻塞
// 若count < 0，将会执行下面的doAcquireSharedInterruptibly方法，
// 此处请去查看Sync中tryAcquireShared方法的实现
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
// 下面这个方法的作用是，线程获取锁失败，将会加入到AQS的同步队列中阻塞等待，
// 直到成功获取到锁，而此处成功获取到锁的条件就是count == 0，若当前线程在等待的过程中，
// 成功地获取了锁，则它会继续唤醒在它后面等待的线程，也尝试获取锁，
// 这也就是说，只要count == 0了，则所有被阻塞的线程都能恢复运行
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
可以看出CountDownLatch的实现完全就是依赖于AQS
3.4 countDown
/**
* 此方法的作用就是将count的值-1，如果count等于0了，就唤醒等待的线程
*/
public void countDown() {
// 这里直接调用sync的releaseShared方法，这个方法的实现在AQS中，也是AQS提供的模板方法，
// 这个方法的作用是当前线程释放锁，若释放失败，返回false，若释放成功，则返回false，
// 若锁被释放成功，则当前线程会唤醒AQS同步队列中第一个被阻塞的线程，让他尝试获取锁
// 对于CountDownLatch来说，释放锁实际上就是让count - 1，只有当count被减小为0，
// 锁才是真正被释放，线程才能继续向下运行
sync.releaseShared(1);
}
AQS的releaseShared的方法实现
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 调用tryReleaseShared尝试释放锁，这个方法已经由Sycn重写，请回顾上面对此方法的分析
// 若tryReleaseShared返回true，表示count经过这次释放后，等于0了，于是执行doReleaseShared
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 这个方法的作用是唤醒AQS的同步队列中，正在等待的第一个线程
// 而我们分析acquireSharedInterruptibly方法时已经说过，
// 若一个线程被唤醒，检测到count == 0，会继续唤醒下一个等待的线程
// 也就是说，这个方法的作用是，在count == 0时，唤醒所有等待的线程
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
通过CountDownLatch的源码会发现，它的实现真的非常简单，除了重写AQS的两个方法外，其余的基本上就是调用AQS提供的模板方法而已。
四、总结
CountDownLatch底层通过AQS实现，AQS的一般使用方式就是以内部类的形式继承它，CountDownLatch就是这么使用它的。
在CountDownLatch内部有一个内部类Sync，继承自AQS，并重写了AQS加锁解锁的方法，通过Sync的对象，调用AQS的方法，阻塞线程的运行。
创建一个CountDownLatch对象时，需要传入一个整数值count，只有当count被减小为0时线程才能通过await方法，否则将被await阻塞。
这里实际上是这样的：当线程运行到await方法时，需要去获取锁（锁由AQS实现），若count不为0，则线程就会获取锁失败，被阻塞；若count为0，则就能顺利通过。
CountDownLatch是一次性的，因为没有方法可以增加count的值，也就是说，一旦count被减小为0，则之后就一直是0了，也就再也不能阻塞线程了。
