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死磕 Java 并发：J.U.C 之并发工具类 - CountDownLatch

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

作者：大明哥

原文地址：http://cmsblogs.com

J.U.C之AQS传送门

【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS（一篇就够了），作为同步组件的基础，AQS做了太多的工作，自定义同步组件只需要简单地实现自定义方法，然后加上AQS提供的模板方法，就可以实现强大的自定义同步组件，理解了AQS，其他理解起来就容易很多了。

CountDownLatch介绍

在上篇博客中介绍了Java四大并发工具之一的CyclicBarrier，今天要介绍的CountDownLatch与CyclicBarrier有点儿相似。

CyclicBarrier所描述的是“允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点，才会进行后续任务"，而CountDownLatch所描述的是”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“。在API中是这样描述的：

用给定的计数初始化 CountDownLatch。由于调用了 countDown() 方法，所以在当前计数到达零之前，await 方法会一直受阻塞。之后，会释放所有等待的线程，await 的所有后续调用都将立即返回。这种现象只出现一次——计数无法被重置。如果需要重置计数，请考虑使用 CyclicBarrier。

死磕 Java 并发：J.U.C 之并发工具类 - CountDownLatch

CountDownLatch是通过一个计数器来实现的，当我们在new 一个CountDownLatch对象的时候需要带入该计数器值，该值就表示了线程的数量。每当一个线程完成自己的任务后，计数器的值就会减1。当计数器的值变为0时，就表示所有的线程均已经完成了任务，然后就可以恢复等待的线程继续执行了。

虽然，CountDownlatch与CyclicBarrier有那么点相似，但是他们还是存在一些区别的：

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
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

实现分析

CountDownLatch结构如下

通过上面的结构图我们可以看到，CountDownLatch内部依赖Sync实现，而Sync继承AQS。CountDownLatch仅提供了一个构造方法：

CountDownLatch(int count) ：构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch

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

sync为CountDownLatch的一个内部类，其定义如下：

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
        Sync(int count) {
            setState(count);
        }
        //获取同步状态
        int getCount() {
            return getState();
        }
        //获取同步状态
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }
        //释放同步状态
        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {
                int c = getState();
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }
    }

通过这个内部类Sync我们可以清楚地看到CountDownLatch是采用共享锁来实现的。

await()

CountDownLatch提供await()方法来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，定义如下：

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

await其内部使用AQS的acquireSharedInterruptibly(int arg)：

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

在内部类Sync中重写了tryAcquireShared(int arg)方法：

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

getState()获取同步状态，其值等于计数器的值，从这里我们可以看到如果计数器值不等于0，则会调用doAcquireSharedInterruptibly(int arg)，该方法为一个自旋方法会尝试一直去获取同步状态：

 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    /**
                     * 对于CountDownLatch而言，如果计数器值不等于0，那么r 会一直小于0
                     */
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                //等待
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

countDown()

CountDownLatch提供countDown() 方法递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。

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

内部调用AQS的releaseShared(int arg)方法来释放共享锁同步状态：

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

tryReleaseShared(int arg)方法被CountDownLatch的内部类Sync重写：

   protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) {
            //获取锁状态
            int c = getState();
            //c == 0 直接返回，释放锁成功
            if (c == 0)
                return false;
            //计算新“锁计数器”
            int nextc = c-1;
            //更新锁状态（计数器）
            if (compareAndSetState(c, nextc))
                return nextc == 0;
        }
    }

总结

CountDownLatch内部通过共享锁实现。在创建CountDownLatch实例时，需要传递一个int型的参数：count，该参数为计数器的初始值，也可以理解为该共享锁可以获取的总次数。当某个线程调用await()方法，程序首先判断count的值是否为0，如果不会0的话则会一直等待直到为0为止。当其他线程调用countDown()方法时，则执行释放共享锁状态，使count值 - 1。当在创建CountDownLatch时初始化的count参数，必须要有count线程调用countDown方法才会使计数器count等于0，锁才会释放，前面等待的线程才会继续运行。注意CountDownLatch不能回滚重置。

关于共享锁的请参考：【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS：同步状态的获取与释放

应用示例

示例仍然使用开会案例。老板进入会议室等待5个人全部到达会议室才会开会。所以这里有两个线程老板等待开会线程、员工到达会议室：

public class CountDownLatchTest {
    private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
    /**
     * Boss线程，等待员工到达开会
     */
    static class BossThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Boss在会议室等待，总共有" + countDownLatch.getCount() + "个人开会...");
            try {
                //Boss等待
                countDownLatch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有人都已经到齐了，开会吧...");
        }
    }
    //员工到达会议室
    static class EmpleoyeeThread  extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，到达会议室....");
            //员工到达会议室 count - 1
            countDownLatch.countDown();
        }
    }
    public static void main(String[] args){
        //Boss线程启动
        new BossThread().start();
        for(int i = 0 ; i < countDownLatch.getCount() ; i++){
            new EmpleoyeeThread().start();
        }
    }
}