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快来看看！AQS 和 CountDownLatch 有怎么样的关系？

前言


CountDownLatch 一个同步辅助工具，同样是基于 AQS 实现，本篇文件主要是介绍 CountDownLatch 的使用，以及源码。

介绍

一个同步辅助工具，允许一个或多个线程等待，直到在其他线程中执行的一组操作完成为止

一个 CountDownLatch 初始化为给定计数。 在 await 方法阻塞，调用 countDown 方法会减少计数直到达到零，此后所有等待的线程被释放，任何后续调用 await 都会立即返回。 这是一次性的现象 - 计数不能复位。 如果你需要一个版本重置计数，请考虑使用CyclicBarrier 。

CountDownLatch 是一种通用的同步工具，可用于多种用途。

  1. 用作一个简单的开/关锁存器，或者门：所有线程调用await在门口等待，直到被调用 countDown 的线程打开。
  2. 初始化计数为 N ，用一个线程等待，直到 N 个线程完成某项操作，或某些动作已经完成 N 次。

CountDownLatch 一个有用的属性是，它不要求调用 countDown 线程等待计数到达零之前继续，它只是阻止任何线程通过await ，直到所有线程可以通过。

基本使用

在我之前 CAS 那篇文章《从JUC源码看CAS，我做了个笔记 ......》中介绍 CAS 举例时使用了 CountDownLatch，其代码如下：

public class CasTest {

    private static final CountDownLatch LATCH = new CountDownLatch(10);

    private static int NUM_I = 0;
    private static volatile int NUM_J = 0;
    private static final AtomicInteger NUM_K = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            threadPool.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        NUM_I++;
                        NUM_J++;
                        NUM_K.incrementAndGet();
                    }
                    LATCH.countDown();
                }
            });
        }
        LATCH.await();

        System.out.println("NUM_I = " + NUM_I);
        System.out.println("NUM_J = " + NUM_J);
        System.out.println("NUM_K = " + NUM_K.get());
        threadPool.shutdown();
    }

}

简单介绍下这段代码的主要逻辑及功能：

  1. CountDownLatch 初始化计数为 10 。
  2. 开 10 个线程去处理业务逻辑，业务逻辑结束会调用 LATCH.countDown() 对计数进行 -1 操作。
  3. 在 LATCH.await() 处会阻塞等待，直到 LATCH 的值为 0 ，即 10 个线程业务都处理结束。
  4. 然后主线程继续执行。

问题疑问

  1. CountDownLatch 和 AQS 有什么关系？
  2. CountDownLatch 的实现原理是什么？

源码分析

基本结构

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通过类图可以看出，CountDownLatch 内部存在一个静态类 Sync，而 Sync 继承了 AbstractQueuedSynchronizer。具体内部是如何实现的，则下面通过源码和画图一步一步的进行介绍。

初始化

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

通过初始化构造器可以看出，在 new 创建对象时必须传递一个 int 类型的非负数。实现逻辑可以看出，是创建了一个 Sync 对象。

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

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

    int getCount() {
        return getState();
    }

}

之前在介绍 AQS 源码中已经介绍了 state 的含义，state 在不同子类中代表不同的含义。

  1. 在 ReentrantLock 中 state 代表加锁状态，0 没有线程获得锁，大于等于 1 已经有线程获得锁，大于 1 说明该获得锁的线程多次重入。
  2. 在 ReentrantReadWriteLock 中 state 代表锁的状态。state 为 0 ，没有线程持有锁，state 的高 16 为代表读锁状态，低 16 为代表写锁状态。通过位运算可以获取读写锁的实际值。
  3. 而在这里 （CountDownLatch）则代表门闩或者说计数的值。

countDown

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

递减锁存器的计数：

  • 如果当前计数大于零，则递减。
  • 如果计数到达零，则释放所有等待的线程。
  • 如果那么当前计数等于零没有任何反应。

此处调用的是 AQS 的 releaseShard() 方法，释放共享资源。

// AQS 代码
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

在 AQS 释放共享资源方法中 tryReleaseShared(arg) 部分是在 CountDownLatch 的内部类 Sync 中实现的，代码部分如下：

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // Decrement count; signal when transition to zero
    for (;;) {
        int c = getState();
        if (c == 0)
            return false;
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

递减更新 state ，如果 state 为 0 则返回 false，否则返回 true 。

此时再对照上面 AQS 代码，发现：如果 tryReleaseShared 返回 true ，则会唤醒后续节点开始执行操作。所以也就是说，如果 state 不为 0，则不会唤醒后续节点，直到 state 为 0 。

await

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

导致当前线程等待，直到锁存器倒计数至零，除非线程被中断。

  • 如果当前计数为零，则此方法立即返回。

  • 如果当前计数大于零，则当前线程用于线程调度目的，禁用并一直处于休眠状态的两件事情之一发生：

    • 因调用countDown方法使计数达到0;
    • 其他某些线程中断当前线程。
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

AQS 定义了 tryAcquireShared 返回值分为 3 种：

  1. 小于 0: 表示失败；
  2. 等于 0: 表示共享模式获取资源成功，但后续的节点不能以共享模式获取成功;
  3. 大于 0: 表示共享模式获取资源成功，后续节点在共享模式获取也可能会成功，在这种情况下，后续等待线程必须检查可用性。

其中 tryAcquireShared 同样由 CountDownLatch 的内部类 Sync 中实现，内部逻辑主要是判断 state 的值，进行返回。

在内部实现中返回的值只有 1 和 -1 ，说明在 state == 0 时，返回 1 ，即唤醒后续节点。不等于 0 时，会阻塞。

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

总结

Q: CountDownLatch 和 AQS 有什么关系？

A: CountDownLatch 是基于 AQS 的共享模式实现的。

Q: CountDownLatch 的实现原理是什么？

A: 可以参考上面的源码解析，进行总结介绍。 CountDownLatch 是基于 AQS 共享模式实现的，在初始化时必须传入计数，该计数实际上是 AQS 的 state 值。在 countDown 时对 state 进行递减，在 当 state 为 0 时 会唤醒 AQS 队列中的所有等待的节点 （因为是共享模式）。而 await 方法是判断 state 的值，如果不是 0 ，则所有线程在队列中阻塞，等待唤醒。

Q: state 在代表的含义是什么？
A:

  1. 在 ReentrantLock 中 state 代表加锁状态，0 没有线程获得锁，大于等于 1 已经有线程获得锁，大于 1 说明该获得锁的线程多次重入。
  2. 在 ReentrantReadWriteLock 中 state 代表锁的状态。state 为 0 ，没有线程持有锁，state 的高 16 为代表读锁状态，低 16 为代表写锁状态。通过位运算可以获取读写锁的实际值。
  3. 而在这里 （CountDownLatch）则代表门闩或者说计数的值。

结束语

本文主要介绍了 CyclicBarrier 的常用方式，通过源码方式，分析如何达到屏障以及回环的效果。不对之处，请多指正。

相关资料

  1. Java SE API ：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/?xd_co_f=7e1f6bdd-a729-472f-a82e-8db833dd2e06
posted @ 2020-11-08 17:50  程序员小航  阅读(99)  评论(0)  编辑  收藏  举报