【JUC知识】CountDownLatch闭锁源码解析(基于jdk11)

目录

• CountDownLatch闭锁源码解析(基于jdk11)
  • 1.1 CountDownLatch概述
  • 1.2 CountDownLatch原理
    • 1.2.1 基本结构(jdk11)
    • 1.2.2 await()方法
    • 1.2.3 await(timeout, unit)方法
    • 1.2.4 countDown()方法
    • 1.2.5 countDown()方法
  • 1.3 CountDownLatch的使用
  • 1.4 CountDownLatch的总结

CountDownLatch闭锁源码解析(基于jdk11)

1.1 CountDownLatch概述

public class CountDownLatch extends Object

CountDownLatch是一种同步工具，常被称为"闭锁"，也叫做"倒计数器"。在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，CountDownLatch允许一个或多个线程一直等待。

很明显，这类似于在开始某个行为之前的准备操作

比如有一个任务A，它要等待其他4个任务完成后才能执行后续工作，此时就可以利用CountDownLatch。

1.2 CountDownLatch原理

1.2.1 基本结构(jdk11)

UML类图可知，CountDownLatch内部同样也使用了AQS实现功能，大胆猜测与AQS里的state状态属性有关。

CountDownLatch的构造函数接受了一个int类型的count参数作为计数器，如果你想等待N个线程计数，那就传入N。通过构造函数，实际上是把count赋值给了AQS里的同步状态属性state。

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2、

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在CountDownLatch的Sync实现中，重写了tryAcquireShared和tryReleaseShared方法，此处可看出是一个共享锁。

一般情况下（常见Lock锁的实现中)我们在释放锁的时候会将state资源减少，获得锁的时候会将state资源增加，当state变为0表示释放锁成功或者没有线程获取到锁，但是CountDownLatch中state的含义则不一样：

1. 在尝试获取锁的tryAcquireShared中，虽然名字叫获取锁，但事里面逻辑却只做了一个判断，如果state为0就表示获得了锁，state为其他值的情况下都没有获取锁，tryAcquireShared方法在awit()系列方法中被调用。
2. 在尝试释放锁的tryReleaseShared方法中，虽然名字叫释放锁，但却仅仅是在对state尝试自减操作，它的内部是一个循环操作，每一次的调用tryReleaseShared都会首先判断state是否为0，如果是，那么返回false表示“释放锁失败”，如果不是那么尝试CAS的将state自减1，CAS成功之后会判断此时的值是否为0，如果不是那么表示“释放锁失败”，返回false，否则表示“释放锁成功”，返回true，这里的操作可以永远保证只有一个线程能够因为“释放锁成功”而返回true。tryReleaseShared方法在countDown()方法中被调用。

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1.2.2 await()方法

 public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

需要等待的线程调用。调用该方法后，当前线程会被阻塞，直到下面的情况之一发生才会返回：

1. 当计数器的值为0 时；
2. 其他线程调用了当前线程的interrupt()方法中断了当前线程，当前线程就会抛出InterruptedException 异常，然后返回。

根据源码，想要调用await方法的线程能够返回，一般情况下需要获取到共享锁，而CountDownLatch内部的tryAcquireShared返回大于0的要求是state为0，即只有在state为0的时候，调用await方法的线程才能能够返回。

/**
 * CountDownLatch 的await方法
 *
 * @throws InterruptedException 等待时被中断
 */
public void await() throws InterruptedException {
    //调用了AQS 的acquireSharedInterruptibly方法，共享式可中断获取锁
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

/**
 * AQS 的acquireSharedInterruptibly方法
 * 共享式获取同步状态，可以被中断，在AQS部分我们已经讲过了
 *
 * @param arg 参数，在实现的时候可以传递自己想要的数据，这里没什么用
 * @throws InterruptedException 等待时被中断
 */
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    //如果线程被中断则抛出异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //tryAcquireShared方法由AQS的子类实现，尝试共享式获取锁，如果返回值小于0，表示获取失败
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        //获取锁失败的线程进入AQS的队列等待，在被唤醒之后还是会继续调用tryAcquireShared获取锁，直到获得锁成功
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

1.2.3 await(timeout, unit)方法

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

需要等待的线程调用。调用该方法后，当前线程会被阻塞，直到下面的情况之一发生才会返回：

1. 当计数器值为0 时，这时候会返回true ；
2. 设置的timeout 时间到了，因为超时而返回false ；
3. 其他线程调用了当前线程的interrupt()方法中断了当前线程，当前线程就会抛出InterruptedException 异常，然后返回。

与空参await()方法类似，内部使用了AQS的tryAcquireSharedNanos，而空参await()则是使用acquireSharedInterruptibly

/**
 * CountDownLatch 的await( timeout, unit)方法
 * 超时等待
 *
 * @param timeout 等待时间
 * @param unit    时间单位
 * @return true 成功 false 失败
 * @throws InterruptedException 被中断
 */
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    //调用了AQS 的tryAcquireSharedNanos方法，共享式超时可中断获取锁
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

/**
 * AQS 的tryAcquireSharedNanos方法
 * 共享式超时获取锁，可以被中断，在AQS部分我们已经讲过了
 *
 * @param arg          参数
 * @param nanosTimeout 超时时间，纳秒
 * @return 是否获取锁成功
 * @throws InterruptedException 被中断
 */
public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    //最开始就检查一次，如果当前线程是被中断状态，直接抛出异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //下面是一个||运算进行短路连接的代码
    //tryAcquireShared尝试获取锁，获取到了(返回大于等于0)直接返回true
    //获取不到（左边表达式为false） 就执行doAcquireSharedNanos方法
    //doAcquireSharedNanos等待一段时间,直到途中计数器变成了0就返回，或者时间到了自动返回，或者等待时被中断
    return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
            doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
}

1.2.4 countDown()方法

public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }

需要准备线程调用。如果当前计数（也就是state）等于0，则什么也不做；

如果当前计数大于0，则尝试CAS将计数器递减1，递减成功如果新的计数为零，出于线程调度目的，将唤醒所有的因为调用await而等待的线程。

底层使用AQS的tryReleaseShared方法

1.2.5 countDown()方法

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

获取当前计数器的值，也就是AQS 的state 的值。

1.3 CountDownLatch的使用

具体看语雀另一篇CountDownLatch文章

1.4 CountDownLatch的总结

CountDownLatch利用AQS状态属性state来实现共享锁

在tryAcquireShared中只有state为0才表示"获取到锁"，否则就会阻塞调用线程，在await方法使用；

在tryReleaseShared中只有state自减后为0才表示释放到锁，即只有当某个countDown方法将state变成0的时候，此时表示“成功释放了锁”，随后就会唤醒因为调用await方法而阻塞的线程，被唤醒的线程会判断到此时state=0，因此可以返回

countDown方法可以用在任何地方，这里的初始值N，可以是N个线程执行完毕之后调用N次countDown方法，也可以是1个线程里的N次调用countDown方法。

CountDownLatch一般用来确保某些活动直到其他活动都完成才继续执行，比如：

1. 确保某个计算在其需要的所有资源都被初始化之后才继续执行；
2. 确保某个服务在其依赖的所有其他服务都已经启动之后才启动；
3. 等待直到某个操作所有参与者都准备就绪再继续执行。