Java concurrency之CountDownLatch原理和示例_动力节点Java学院整理
发布于 2017-09-04 01:57:26 | 144 次阅读 | 评论: 0 | 来源: 网友投递
Java程序设计语言
java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，是由Sun Microsystems公司于1995年5月推出的Java程序设计语言和Java平台（即JavaEE(j2ee), JavaME(j2me), JavaSE(j2se)）的总称。
CountDownLatch是一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。 下面通过本文给大家分享Java concurrency之CountDownLatch原理和示例，需要的的朋友参考下吧
CountDownLatch简介
CountDownLatch是一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。
CountDownLatch和CyclicBarrier的区别
(01) CountDownLatch的作用是允许1或N个线程等待其他线程完成执行；而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待。
(02) CountDownLatch的计数器无法被重置；CyclicBarrier的计数器可以被重置后使用，因此它被称为是循环的barrier。
关于CyclicBarrier的原理，后面一章再来学习。
CountDownLatch函数列表
CountDownLatch(int count)
构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch。
// 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断。
void await()
// 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。
boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
// 递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。
void countDown()
// 返回当前计数。
long getCount()
// 返回标识此锁存器及其状态的字符串。
String toString()CountDownLatch数据结构
CountDownLatch的UML类图如下：
CountDownLatch的数据结构很简单，它是通过"共享锁"实现的。它包含了sync对象，sync是Sync类型。Sync是实例类，它继承于AQS。
1. CountDownLatch(int count)
public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}说明：该函数是创建一个Sync对象，而Sync是继承于AQS类。Sync构造函数如下：
Sync(int count) {
setState(count);
} setState()在AQS中实现，源码如下：
protected final void setState(long newState) {
state = newState;
}说明：在AQS中，state是一个private volatile long类型的对象。对于CountDownLatch而言，state表示的”锁计数器“。CountDownLatch中的getCount()最终是调用AQS中的getState()，返回的state对象，即”锁计数器“。
2. await()
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}说明：该函数实际上是调用的AQS的acquireSharedInterruptibly(1);
AQS中的acquireSharedInterruptibly()的源码如下：
public final void acquireSharedInterruptibly(long arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}说明：acquireSharedInterruptibly()的作用是获取共享锁。
如果当前线程是中断状态，则抛出异常InterruptedException。否则，调用tryAcquireShared(arg)尝试获取共享锁；尝试成功则返回，否则就调用doAcquireSharedInterruptibly()。doAcquireSharedInterruptibly()会使当前线程一直等待，直到当前线程获取到共享锁(或被中断)才返回。
tryAcquireShared()在CountDownLatch.java中被重写，它的源码如下：
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}说明：tryAcquireShared()的作用是尝试获取共享锁。
如果"锁计数器=0"，即锁是可获取状态，则返回1；否则，锁是不可获取状态，则返回-1。
private void doAcquireSharedInterruptibly(long arg)
throws InterruptedException {
// 创建"当前线程"的Node节点，且Node中记录的锁是"共享锁"类型；并将该节点添加到CLH队列末尾。
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
// 获取上一个节点。
// 如果上一节点是CLH队列的表头，则"尝试获取共享锁"。
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
long r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// (上一节点不是CLH队列的表头) 当前线程一直等待，直到获取到共享锁。
// 如果线程在等待过程中被中断过，则再次中断该线程(还原之前的中断状态)。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}说明：
(01) addWaiter(Node.SHARED)的作用是，创建”当前线程“的Node节点，且Node中记录的锁的类型是”共享锁“(Node.SHARED)；并将该节点添加到CLH队列末尾。
(02) node.predecessor()的作用是，获取上一个节点。如果上一节点是CLH队列的表头，则”尝试获取共享锁“。
(03) shouldParkAfterFailedAcquire()的作用和它的名称一样，如果在尝试获取锁失败之后，线程应该等待，则返回true；否则，返回false。
(04) 当shouldParkAfterFailedAcquire()返回ture时，则调用parkAndCheckInterrupt()，当前线程会进入等待状态，直到获取到共享锁才继续运行。
3. countDown()
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}说明：该函数实际上调用releaseShared(1)释放共享锁。
releaseShared()在AQS中实现，源码如下：
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}说明：releaseShared()的目的是让当前线程释放它所持有的共享锁。
它首先会通过tryReleaseShared()去尝试释放共享锁。尝试成功，则直接返回；尝试失败，则通过doReleaseShared()去释放共享锁。
tryReleaseShared()在CountDownLatch.java中被重写，源码如下：
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (;;) {
// 获取“锁计数器”的状态
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
// “锁计数器”-1
int nextc = c-1;
// 通过CAS函数进行赋值。
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}说明：tryReleaseShared()的作用是释放共享锁，将“锁计数器”的值-1。
总结：CountDownLatch是通过“共享锁”实现的。在创建CountDownLatch中时，会传递一个int类型参数count，该参数是“锁计数器”的初始状态，表示该“共享锁”最多能被count给线程同时获取。当某线程调用该CountDownLatch对象的await()方法时，该线程会等待“共享锁”可用时，才能获取“共享锁”进而继续运行。而“共享锁”可用的条件，就是“锁计数器”的值为0！而“锁计数器”的初始值为count，每当一个线程调用该CountDownLatch对象的countDown()方法时，才将“锁计数器”-1；通过这种方式，必须有count个线程调用countDown()之后，“锁计数器”才为0，而前面提到的等待线程才能继续运行！
以上，就是CountDownLatch的实现原理。
CountDownLatch的使用示例
下面通过CountDownLatch实现："主线程"等待"5个子线程"全部都完成"指定的工作(休眠1000ms)"之后，再继续运行。
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class CountDownLatchTest1 {
private static int LATCH_SIZE = 5;
private static CountDownLatch doneSignal;
public static void main(String[] args) {
try {
doneSignal = new CountDownLatch(LATCH_SIZE);
// 新建5个任务
for(int i=0; i<LATCH_SIZE; i++)
new InnerThread().start();
System.out.println("main await begin.");
// "主线程"等待线程池中5个任务的完成
doneSignal.await();
System.out.println("main await finished.");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
static class InnerThread extends Thread{
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 1000ms.");
// 将CountDownLatch的数值减1
doneSignal.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}运行结果：
main await begin.
Thread-0 sleep 1000ms.
Thread-2 sleep 1000ms.
Thread-1 sleep 1000ms.
Thread-4 sleep 1000ms.
Thread-3 sleep 1000ms.
main await finished.结果说明：主线程通过doneSignal.await()等待其它线程将doneSignal递减至0。其它的5个InnerThread线程，每一个都通过doneSignal.countDown()将doneSignal的值减1；当doneSignal为0时，main被唤醒后继续执行。