【JDK源码分析】并发包同步工具CountDownLatch

前言

CountDownLatch是一个闭锁实现，它可以使一个或者多个线程等待一组事件发生。它包含一个计数器，用来表示需要等待的事件数量，coutDown方法用于表示一个事件发生，计数器随之递减，而await方法等待计数器为0之前一直阻塞。它是基于AQS的共享锁来实现的，其中使用了较多的AQS的方法，所以在这之前最好阅读过AQS的源码，可以查看本人之前AQS的源码分析，有些AQS方法没有在之前分析过的这里涉及到了会进行分析。

源码

我们先看它的属性和构造器，

    // Sync为其内部类
    private final Sync sync;

    // 唯一的一个构造器
    // 构造参数count就是需要等待事件的数量
    public CountDownLatch(int count) {
        // 为了保证count >= 0
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        // 构造sync
        this.sync = new Sync(count);
    }

现在来看内部类Sync，它继承了AQS，实现了共享锁方法，下面来看其源码，代码行数不多很好理解

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

        Sync(int count) {
            // setState 为AQS更改其state变量的方法
            // 将AQS state变量设置成count
            setState(count);
        }

        int getCount() {
            // AQS的获取state锁状态值
            return getState();
        }
        // 尝试获取共享锁
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            // 返回1表示此时锁状态值为0表示锁已释放
            // -1表示此时锁状态值大于0，表示出于锁定状态
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }
        // 尝试释放共享锁（计数器递减releases次）
        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // Decrement count; signal when transition to zero
            // 等待锁状态值为0或者更改锁状态值成功
            for (;;) {
                // 将state赋值给变量c
                int c = getState();
                if (c == 0)
                    // 此时锁已清除
                    return false;
                // 递减
                int nextc = c-1;
                // 比较state的状态值是否等于C,等于将state状态值改为nextc
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    // 更改成功后，如果nextc为0则返回true
                    return nextc == 0;
            }
        }
    }

await方法

await方法就是当state状态值不为0时将当前线程阻塞，然后等待唤醒

    public void await() throws InterruptedException {
        //调用的AQS获取共享锁可中断方法
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

我们来看看AQS的acquireSharedInterruptibly方法

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 此方法调用的是CountDownLatch内部类Sync的方法
        // 如果锁状态不为0，则执行doAcquireSharedInterruptibly方法
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

doAcquireSharedInterruptibly方法也是由AQS实现的

    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        // 添加一个共享锁节点到队列
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            // 直到线程被唤醒或者线程被中断时跳出循环
            for (;;) {
                // node节点的前驱节点
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    // 调用CountDownLatch内部类Sync的方法
                    // 如果锁状态值为0，则返回值大于0
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        // 当锁状态值为0，开始将note节点设置为头节点并唤醒后继节点
                        // 也就是队列不断的出列，然后唤醒后继节点，后继节点被唤醒后由于前驱节点被设置成头节点，又会调用该方法进行后继节点的唤醒
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }

                /*
                 shouldParkAfterFailedAcquire用于清除已中断/或者取消的线程以及判断此次循环是否需要挂起线程
                 parkAndCheckInterrupt 挂机当前线程
                 shouldParkAfterFailedAcquire 和 parkAndCheckInterrupt 在AQS之前博文里分析过这里就不再分析了
                 */
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                // 表示当前线程中断，取消获取锁
                // 之前分析过，略过源码分析
                cancelAcquire(node);
        }
    }

setHeadAndPropagate方法，主要作用是唤醒后继节点线程

    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; 
        // 当前节点设置为头节点，节点关联的线程设置为空
        setHead(node)
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
            if (s == null || s.isShared())
                // 节点等待状态为signal时，唤醒后继节点线程
                doReleaseShared();
        }
    }

doReleaseShared很巧妙，当当前节点等待状态为signal时，唤醒后继节点线程

    private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                // 当前线程等待状态为signal时表示后继节点需要唤醒
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        // 表示h节点的状态替换失败，会再次循环判断h节点的状态
                        continue;            // loop to recheck cases
                    // 唤醒后继节点
                    unparkSuccessor(h);
                }
                // 状态为0时，将其改成PROPAGATE，更改失败会再次循环判断h节点的状态
　　　　　　　　　 // 这种情况发生在一个线程调用await方法，节点的等待状态还是初始值0未来得及被修改，刚好state被置为0然后调用了doReleaseShared方法

                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

countDown方法

countDown方法递减state值，当值为0时，依次唤醒等待的线程

    public void countDown() {
        // 递减一次state值，知道state为0时唤醒等待中的线程
        sync.releaseShared(1);
    }

    public final boolean releaseShared(int arg) {
        // 尝试将state减去arg
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            // state为0时唤醒线程
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

到此分析完毕。

总结

1. 通过源码知道CountDownLatch 不能像CyclicBarrier那样使用完毕后还可以复用；
2. CountDownLatch 是通过共享锁来实现的，它的构造参数就是AQS state的值；
3. 由于内部类继承了AQS，所以它内部也是FIFO队列，同时也一样是前驱节点唤醒后继节点。