倒数闩锁CountDownLatch源码浅析

 

1 前言

CountDownLatch是一种同步辅助工具类，它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。（源码分析基于JDK1.8） CountDownLatch需要用给定的闩锁计数count初始化。await方法使当前线程阻塞（每执行一次countDown方法就将闩锁计数减1),直到闩锁计数达到零时(所有因此阻塞等待的线程都)才会被唤醒。CountDownLatch是一次性使用的同步工具，闩锁计数无法重置，如果需要重置计数，可能使用CyclicBarrier更合适。

 

2 用法示例

1) 示例1

我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据，此时可以考虑使用多线程，每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序需要提示解析完成。在这个需求中，要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，最简单的做法是使用join()方法.

public class JoinCountDownLatchTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread parser1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                  System.out.println("parser1 finish");
            }
        });
        Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("parser2 finish");
            }
        });
        parser1.start();
        parser2.start();
        parser1.join();
        parser2.join();
        System.out.println("all parser finish");
    }
}

CountDownLatch可以实现join类似的功能，但它更强大，它提供了很多API方法，能够实现更精准的控制。

CountDownLatch的构造方法必须传入一个int类型的参数，这个参数作为闩锁的计数器。

CountDownLatch的countDown和await方法一般都要配合使用。await方法(休眠)阻塞当前线程，而每调用一次countDown方法，闩锁计数就减1，当其减为0时，当前线程就被唤醒、await方法得以返回。

 class CountDownLatchTest {
    static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread parser1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("parser1 finish");
            c.countDown();
        });
        Thread parser2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("parser2 finish");
                c.countDown();
            }
        });
        parser1.start();
        parser2.start();
        c.await();
        System.out.println("all parser finish");
    }
}

打印结果：

parser1 finish

parser2 finish

all parser finish

若c.await();被注释掉，就不能保证打印的先后顺序，输出结果如下：

all parser finish

parser1 finish

parser2 finish

2) 示例2

这里有两个类Driver和Worker，分别表示驱动者、工作者线程。这里使用了两个CountDownLatch对象，第一个表示启动信号，可防止任何工作者线程Worker前进处理，直到驱动者Driver为它们做好准备为止；第二个表示完成信号，允许驱动者Driver等到所有工作者线程Worker都完成任务为止。

class Driver { // ...
    void main() throws InterruptedException {
        CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);
​
        for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads
            new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();
​
        doSomethingElse();            // don't let run yet 做准备
        startSignal.countDown();      // let all threads proceed 
        doSomethingElse();
        doneSignal.await();           // wait for all to finish
    }
}
​
class Worker implements Runnable {
    private final CountDownLatch startSignal;
    private final CountDownLatch doneSignal;
    Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {
        this.startSignal = startSignal;
        this.doneSignal = doneSignal;
    }
    public void run() {
        try {
            startSignal.await();
            doWork();
            doneSignal.countDown();
        } catch (InterruptedException ex) {} // return;
    }
​
    void doWork() { ... }
}

3 实现分析

CountDownLatch的实现主要基于同步器AbstractQueuedSynchronizer，它利用AQS实现了一个共享锁. CountDownLatch主要有一个Sync类型成员变量sync, Sync是继承抽象类AbstractQueuedSynchronizer的静态内部类。

    private final Sync sync;

1) 构造方法CountDownLatch(int)

CountDownLatch的构造方法主要是执行this.sync = new Sync(count)对sync进行实例化, 而Sync(int)又将父类AbstractQueuedSynchronizer的实例变量state设置为指定的count。

public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);//实例化
}
        Sync(int count) {
            setState(count);//将`AbstractQueuedSynchronizer`的state设为count
        }

2) 静态内部类Sync

Sync主要重写了父类的tryAcquireShared 、tryReleaseShared方法，这两个方法都是实现共享锁所必须重写的相关方法，其作用分别是尝试获取共享状态、尝试释放共享状态，两者刚好配对。有关AQS详细分析，请看之前的博客AbstractQueuedSynchronizer实现原理分析。

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    //state为0,闩锁计数为0 ，返回1,获取共享状态成功
    //反之闩锁计数不为0，返回-1，获取共享状态失败。
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // Decrement count; signal when transition to zero
    for (;;) {
        int c = getState();
        if (c == 0)  //state已经为0,非法状态返回false.(只有在已获取锁，即state非零时，才有释放锁的说法)
            return false;
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))//cas自旋将state减1
            return nextc == 0;//state自减1后为零，返回true,可释放锁。反之返回false，还不能释放锁。
    }
}

另外Sync还提供了一个方法getCount，返回当前剩余的闩锁计数，它直接调用父类AQS的getState实现。

int getCount() {
    return getState();
}

3) await

await使当前线程休眠等待，直到count减少至0或线程中断。

await调用了AQS的acquireSharedInterruptibly方法，acquireSharedInterruptibly获取共享锁并响应中断。

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

await(long , TimeUnit )是await()的超时版本。

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

4) countDown

countDown将闩锁计数递减1，若递减后为0就将唤醒所有阻塞等待的线程。如果闩锁的计数（递减前）已经为零，就啥也不做，恰好与上面tryReleaseShared方法体中的if (c == 0) return false;所对应。

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

5) getCount

getCount用于查询当前的闩锁计数

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