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JUC工具类: CountDownLatch详解

MrJason...大约 9 分钟Java并发

JUC工具类: CountDownLatch详解

0. 面试题

  • 什么是CountDownLatch?
  • CountDownLatch底层实现原理?
  • CountDownLatch一次可以唤醒几个任务? 多个
  • CountDownLatch有哪些主要方法? await(),countDown()
  • CountDownLatch适用于什么场景?
  • 写道题：实现一个容器，提供两个方法，add，size 写两个线程，线程1添加10个元素到容器中，线程2实现监控元素的个数，当个数到5个时，线程2给出提示并结束? 使用CountDownLatch 代替wait notify 好处。

1. 简介

CountDownLatch的作用就是等待其他的线程都执行完任务，必要时可以对各个任务的执行结果进行汇总，然后主线程才继续往下执行。

从源码可知，其底层是由AQS提供支持，所以其数据结构可以参考AQS的数据结构，而AQS的数据结构核心就是两个虚拟队列: 同步队列sync queue 和条件队列condition queue，不同的条件会有不同的条件队列。CountDownLatch典型的用法是将一个程序分为n个互相独立的可解决任务，并创建值为n的CountDownLatch。当每一个任务完成时，都会在这个锁存器上调用countDown，等待问题被解决的任务调用这个锁存器的await，将他们自己拦住，直至锁存器计数结束。

2. CountDownLatch源码分析

2.1 类的继承关系

CountDownLatch没有显示继承哪个父类或者实现哪个父接口, 它底层是AQS是通过内部类Sync来实现的。

public class CountDownLatch {}

2.2 类的内部类

CountDownLatch类存在一个内部类Sync，继承自AbstractQueuedSynchronizer，其源代码如下。

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
    
    // 构造器
    Sync(int count) {
        setState(count);
    }
    
    // 返回当前计数
    int getCount() {
        return getState();
    }

    // 试图在共享模式下获取对象状态
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return (getState() == 0) ? 1 : -1;
    }

    // 试图设置状态来反映共享模式下的一个释放
    protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
        // Decrement count; signal when transition to zero
        // 无限循环
        for (;;) {
            // 获取状态
            int c = getState();
            if (c == 0) // 没有被线程占有
                return false;
            // 下一个状态
            int nextc = c-1;
            if (compareAndSetState(c, nextc)) // 比较并且设置成功
                return nextc == 0;
        }
    }
}

说明: 对CountDownLatch方法的调用会转发到对Sync或AQS的方法的调用，所以，AQS对CountDownLatch提供支持。

2.3 类的属性

可以看到CountDownLatch类的内部只有一个Sync类型的属性:

public class CountDownLatch {
    // 同步队列
    private final Sync sync;
}

2.4 类的构造函数

说明: 该构造函数可以构造一个用给定计数初始化的CountDownLatch，并且构造函数内完成了sync的初始化，并设置了状态数

public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    // 初始化状态数
    this.sync = new Sync(count);
}

2.5 核心函数 - await函数

此函数将会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。其源码如下

public void await() throws InterruptedException {
    // 转发到sync对象上
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

说明: 由源码可知，对CountDownLatch对象的await的调用会转发为对Sync的acquireSharedInterruptibly(从AQS继承的方法)方法的调用。

  • acquireSharedInterruptibly源码如下:
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

说明: 从源码中可知，acquireSharedInterruptibly又调用了CountDownLatch的内部类Sync的tryAcquireShared和AQS的doAcquireSharedInterruptibly函数。

  • tryAcquireShared函数的源码如下:
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

说明: 该函数只是简单的判断AQS的state是否为0，为0则返回1，不为0则返回-1。

  • doAcquireSharedInterruptibly函数的源码如下:
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 添加节点至等待队列
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) { // 无限循环
            // 获取node的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) { // 前驱节点为头节点
                // 试图在共享模式下获取对象状态
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) { // 获取成功
                    // 设置头节点并进行繁殖
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    // 设置节点next域
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt()) // 在获取失败后是否需要禁止线程并且进行中断检查
                // 抛出异常
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

说明: 在AQS的doAcquireSharedInterruptibly中可能会再次调用CountDownLatch的内部类Sync的tryAcquireShared方法和AQS的setHeadAndPropagate方法。

  • setHeadAndPropagate方法源码如下。
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    // 获取头节点
    Node h = head; // Record old head for check below
    // 设置头节点
    setHead(node);
    /*
        * Try to signal next queued node if:
        *   Propagation was indicated by caller,
        *     or was recorded (as h.waitStatus either before
        *     or after setHead) by a previous operation
        *     (note: this uses sign-check of waitStatus because
        *      PROPAGATE status may transition to SIGNAL.)
        * and
        *   The next node is waiting in shared mode,
        *     or we don't know, because it appears null
        *
        * The conservatism in both of these checks may cause
        * unnecessary wake-ups, but only when there are multiple
        * racing acquires/releases, so most need signals now or soon
        * anyway.
        */
    // 进行判断
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        // 获取节点的后继
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared()) // 后继为空或者为共享模式
            // 以共享模式进行释放
            doReleaseShared();
    }
}

说明: 该方法设置头节点并且释放头节点后面的满足条件的结点，该方法中可能会调用到AQS的doReleaseShared方法，其源码如下。

private void doReleaseShared() {
    /*
        * Ensure that a release propagates, even if there are other
        * in-progress acquires/releases.  This proceeds in the usual
        * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
        * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
        * ensure that upon release, propagation continues.
        * Additionally, we must loop in case a new node is added
        * while we are doing this. Also, unlike other uses of
        * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
        * fails, if so rechecking.
        */
    // 无限循环
    for (;;) {
        // 保存头节点
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) { // 头节点不为空并且头节点不为尾结点
            // 获取头节点的等待状态
            int ws = h.waitStatus; 
            if (ws == Node.SIGNAL) { // 状态为SIGNAL
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) // 不成功就继续
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 释放后继结点
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                        !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) // 状态为0并且不成功，继续
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head) // 若头节点改变，继续循环  
            break;
    }
}

说明: 该方法在共享模式下释放，具体的流程再之后会通过一个示例给出。

所以，对CountDownLatch的await调用大致会有如下的调用链。

2.5.1 调用链

CountDownLatch的await调用大致会有如下的调用链。

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2.6 核心函数 - countDown函数

此函数将递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程

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

说明: 对countDown的调用转换为对Sync对象的releaseShared(从AQS继承而来)方法的调用。

  • releaseShared源码如下
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

说明: 此函数会以共享模式释放对象，并且在函数中会调用到CountDownLatch的tryReleaseShared函数，并且可能会调用AQS的doReleaseShared函数。

  • tryReleaseShared源码如下
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // Decrement count; signal when transition to zero
    // 无限循环
    for (;;) {
        // 获取状态
        int c = getState();
        if (c == 0) // 没有被线程占有
            return false;
        // 下一个状态
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc)) // 比较并且设置成功
            return nextc == 0;
    }
}

说明: 此函数会试图设置状态来反映共享模式下的一个释放。具体的流程在下面的示例中会进行分析。

  • AQS的doReleaseShared的源码如下
private void doReleaseShared() {
    /*
        * Ensure that a release propagates, even if there are other
        * in-progress acquires/releases.  This proceeds in the usual
        * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
        * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
        * ensure that upon release, propagation continues.
        * Additionally, we must loop in case a new node is added
        * while we are doing this. Also, unlike other uses of
        * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
        * fails, if so rechecking.
        */
    // 无限循环
    for (;;) {
        // 保存头节点
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) { // 头节点不为空并且头节点不为尾结点
            // 获取头节点的等待状态
            int ws = h.waitStatus; 
            if (ws == Node.SIGNAL) { // 状态为SIGNAL
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) // 不成功就继续
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 释放后继结点
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                        !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) // 状态为0并且不成功，继续
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head) // 若头节点改变，继续循环  
            break;
    }
}

说明: 此函数在共享模式下释放资源。

所以，对CountDownLatch的countDown调用大致会有如下的调用链。

2.6.2 调用链

image-20220526112413543
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说明: 上图给出了可能会调用到的主要方法，并非一定会调用到，之后，会通过一个示例给出详细的分析。

3. CountDownLatch示例

下面给出了一个使用CountDownLatch的示例。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

class MyThread extends Thread {
    private CountDownLatch countDownLatch;
    
    public MyThread(String name, CountDownLatch countDownLatch) {
        super(name);
        this.countDownLatch = countDownLatch;
    }
    
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " doing something");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " finish");
        countDownLatch.countDown();
    }
}

public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
        MyThread t1 = new MyThread("t1", countDownLatch);
        MyThread t2 = new MyThread("t2", countDownLatch);
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("Waiting for t1 thread and t2 thread to finish");
        try {
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }            
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");        
    }
}

运行结果(某一次):

Waiting for t1 thread and t2 thread to finish
t1 doing something
t2 doing something
t1 finish
t2 finish
main continue

3.1 时序图

说明: 本程序首先计数器初始化为2。根据结果，可能会存在如下的一种时序图。

image-20220526113040262
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说明: 首先main线程会调用await操作，此时main线程会被阻塞，等待被唤醒，之后t1线程执行了countDown操作，最后，t2线程执行了countDown操作，此时main线程就被唤醒了，可以继续运行。下面，进行详细分析。

3.2 各线程的执行流程

  • main线程执行countDownLatch.await操作，主要调用的函数如下。
image-20220526113319572
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说明: 在最后，main线程就被park了，即禁止运行了。此时Sync queue(同步队列)中有两个节点，AQS的state为2，包含main线程的结点的nextWaiter指向SHARED结点。

  • t1线程执行countDownLatch.countDown操作，主要调用的函数如下。
image-20220526113426323
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说明: 此时，Sync queue队列里的结点个数未发生变化，但是此时，AQS的state已经变为1了。

  • t2线程执行countDownLatch.countDown操作，主要调用的函数如下。
image-20220526113518722
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说明: 经过调用后，AQS的state为0，并且此时，main线程会被unpark，可以继续运行。当main线程获取cpu资源后，继续运行。

  • main线程获取cpu资源，继续运行，由于main线程是在parkAndCheckInterrupt函数中被禁止的，所以此时，继续在parkAndCheckInterrupt函数运行。

说明: main线程恢复，继续在parkAndCheckInterrupt函数中运行，之后又会回到最终达到的状态为AQS的state为0，并且head与tail指向同一个结点，该节点的额nextWaiter域还是指向SHARED结点。

参考文章

JUC工具类: CountDownLatch详解

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