一:简述

本篇文章对java并发包工具CountDownLatch进行介绍,并且通过对CountDownLatch源码的分析来加深对CountDownLatch的理解。

二:什么是CountDownLatch

CountDownLatch是java并发包中提供的一个工具类,CountDownLatch的作用很简单,它可以让一个或者一组线程在开始执行操作之前,必须要等到其他线程执行完才执行,它是基于AQS的共享锁来实现的。

三:CountDownLatch的使用

简单介绍下CountDownLatch的使用

CountDownLatch的主要方法有三个:

1.构造函数

2.countDown()

3.await()

简单给大家写一个demo:

public class TestThread {
     static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(()->{
            System.out.println("线程等待");
            try {
                countDownLatch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程C被唤醒");
        },"线程C").start();
        new Thread(()->{
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("计数器减1");
            countDownLatch.countDown();
        },"线程A").start();
        new Thread(()->{
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("计数器减1");
            countDownLatch.countDown();
        },"线程B").start();
        countDownLatch.await();
        System.out.println("主线程被唤醒");
    }
}

线程C和主线程调用await()方法后会进行阻塞,直到线程A和线程B调用countdown()方法将计数值减为0之后才会继续执行。

输出结果:

java并发包工具CountDownLatch源码分析

四:CountDownLatch原理分析

前面两个小节是为了帮助不知道没使用过CountDownLatch的同学。那么接下来进入正题,对CountDownLatch的原理分析。我们将以CountDownLatch的构造函数,countDown(),await()三个方法对CountDownLatch的源码进行解析。

构造函数

CountDownLatch只有一个有参的构造函数,我们需要传递一个大于0的整数,构造函数会初始化一个Sync的实例,而Sync正是继承了AbstractQueuedSynchronizer(简称AQS)。Sync初始化的时候会将我们设置的整数传递给AQS的成员变量state。

    public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
    }
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
        Sync(int count) {
            setState(count);
        }
}
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

接下来我们看await()方法

await()方法:

流程图:

java并发包工具CountDownLatch源码分析

源码分析:

首先线程调用await()方法后会去判断当前state是否大于0,如果不是大于0,那么直接就返回继续执行业务代码,如果大于0,那么就会调用doAcquireSharedInterruptibly()。所以重点是doAcquireSharedInterruptibly()方法。

public void await() throws InterruptedException {
        //调用Sync的acquireSharedInterruptibly()方法
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        //判断当前的state的值是否等于0 如果等于0返回1 否则返回-1    
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            // 如果state等于0 那么什么都不做 直接返回,如果大于0 就执行doAcquireSharedInterruptibly()
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }

await()方法的核心在于doAcquireSharedInterruptibly()方法,所以接下来我们重点分析doAcquireSharedInterruptibly()方法。

doAcquireSharedInterruptibly()

首先通过addWaiter()方法将当前线程封装成一个类型为SHARED的Node节点,然后判断当前节点的前一个节点是否是head节点,分为两种情况:

1. 当前节点的前置节点是head节点

那么就会再次调用tryAcquireShared()判断一下state的值是等于0,又分为两种情况

a. state如果等于0

那么就调用setHeadAndPropagate()方法将当前节点设置为头节点,并且调用唤醒下一个状态不为CANCELLED的节点。

b. 如果state不等于0

那么就调用shouldParkAfterFailedAcquire()方法将前一个节点的状态修改为SIGNAL,并且调用parkAndCheckInterrupt()方法将当前线程阻塞起来。

2. 当前节点的前置节点不是head节点

那么就掉用shouldParkAfterFailedAcquire()方法将前一个节点的状态修改为SIGNAL,并且调用parkAndCheckInterrupt()方法将当前线程阻塞起来。

(需要注意的是线程被唤醒之后继续执行这里的代码)

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        //调用addWaiter()方法将线程封装成Node并且放入到AQS队列的尾部
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                //获取当前节点的前一个节点
                final Node p = node.predecessor();
                //如果前一个节点是head节点
                if (p == head) {
                    //再次判断state的值是否为0
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    // tryAcquireShared()返回1代表state为0
                    if (r >= 0) {
                        //将当前节点设置为头节点 并且唤醒下一个正常的节点
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                //shouldParkAfterFailedAcquire()方法将当前节点的前一个节点的状态设置为SIGNAL,
                //parkAndCheckInterrupt()方法将当前线程阻塞 
                //线程被唤醒之后继续从这里开始执行
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

addWaiter()

addWaiter()作用是将当前线程封装成Node节点,并且加入到AQS队列中。

private Node addWaiter(Node mode) {
	//将没有获得锁的线程封装成一个node 
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
	//如果AQS尾结点不为null 代表AQS链表已经初始化 尝试将构建好的节点添加到链表的尾部
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
	    //cas替换AQS的尾结点 
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
	//没有初始化调用enq()方法
        enq(node);
        return node;
    }
private Node enq(final Node node) {
	    //自旋
        for (;;) {
            Node t = tail;
	    //尾结点为空 说明AQS链表还没有初始化 那么进行初始化
            if (t == null) { // Must initialize
	    //cas 将AQS的head节点 初始化 成功初始化head之后,将尾结点也初始化
            //注意 这里我们可以看到head节点是不存储线程信息的 也就是说head节点相当于是一个虚拟节点
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
		//尾结点不为空 那么直接添加到链表的尾部即可
                //加入链表的时候先指定prev 然后cas成功 再指定next
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

setHeadAndPropagate()

setHeadAndPropagate()的作用就是将当前节点设置为头结点,并且调用doReleaseShared()方法唤醒当前节点的下一个正常节点。doReleaseShared()方法我们在下面分析countDown()方法的时候在进行仔细的分析。

 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; // Record old head for check below
        //将当前节点设置为头结点
        setHead(node);
        if (propagate &gt; 0 || h == null || h.waitStatus &lt; 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus &lt; 0) {
            Node s = node.next;
            if (s == null || s.isShared())
                //唤醒头结点的下一个节点 
                //其实也就是当前节点的下一个节点,因为前面已经将当前节点设置为新的头结点了
                doReleaseShared();
        }
    }

shouldParkAfterFailedAcquire()

shouldParkAfterFailedAcquire()方法会将传入的节点(传进来的是当前节点的前置节点)的状态设置为SIGNAL状态。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
	    //如果节点是SIGNAL状态 不需要处理 直接返回
            return true;
        if (ws > 0) {
	   //如果节点状态>0 说明节点是取消状态 这种状态的节点需要被清除 用do while循环顺便清除一下前面的连续的、状态为取消的节点
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
	    //正常的情况下 利用cas将前一个节点的状态替换为 SIGNAL状态 也就是-1
	    //注意 这样队列中节点的状态 除了最后一个都是-1 包括head节点
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

parkAndCheckInterrupt()

parkAndCheckInterrupt()方法的作用就是调用 LockSupport.park()方法将线程阻塞,并且返回线程的中断标志。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
  //挂起当前线程 并且返回中断标志  LockSupport.park(thread) 会调用UNSAFE.park()方法将线程阻塞起来(是一个native方法)
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
}

到这里await()方法也就分析完了 接下来我们分析countDown()方法

countDown()

流程图:

java并发包工具CountDownLatch源码分析

源码:

countDown()方法首先查看state的值是否是0,分为两种情况

1. 如果state为0

说明没有线程需要被唤醒,那么直接返回。

2. 如果state不为0

那么将利用cas将state的值减1,判断新的state是否为0 ,如果不为0,说明还不能唤醒阻塞的线程,直接返回,如果新的state为0,那么调用doReleaseShared()方法唤醒阻塞的线程。

public void countDown() {
   sync.releaseShared(1);
}
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // Decrement count; signal when transition to zero
            //自旋+cas保证线程安全
            for (;;) {
                //获取state的值
                int c = getState();
                //如果state为0 说明没有需要唤醒的线程 直接返回
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
                //利用cas将state减一 如果新的state为0 说明需要唤醒阻塞的线程,否则不需要唤醒
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }

countDown()方法核心是doReleaseShared()方法 所以我们重点分析doReleaseShared()。

doReleaseShared()

    private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                //如果头结点的状态是SIGNAL
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    //cas修改节点的状态为0 失败的话继续自旋
                    // 成功的话调用unparkSuccessor唤醒头结点的下一个正常节点
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                //如果节点状态为0 那么cas替换为PROPAGATE 失败进入下一次自旋
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

unparkSuccessor()

unparkSuccessor()方法的作用是唤醒头节点后第一个不为null且状态不为cancelled的节点。

private void unparkSuccessor(Node node) {
        //获取头结点的状态 将头结点状态设置为0 代表现在正在有线程被唤醒 如果head状态为0 就不会进入这个方法了
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            //将头结点状态设置为0
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
	//唤醒头结点的下一个状态不是cancelled的节点 (因为头结点是不存储阻塞线程的)
        Node s = node.next;
	//当前节点是null 或者是cancelled状态
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
	 //从aqs链表的尾部开始遍历 找到离头结点最近的 不为空的 状态不是cancelled的节点 赋值给s 
         //这里为什么从尾结点开始遍历而不是头结点 是因为添加结点的时候是先初始化结点的prev的, 从尾结点开始遍历 不会出现prve没有赋值的情况 
         //如果从头结点进行遍历 next为null 并不能保证链表遍历完了
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
	    //调用LockSupport.unpark()唤醒指定的线程
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }	

线程被唤醒之后,我们需要回到线程阻塞的地方继续分析线程被唤醒之后的操作。

前文我们分析await()方法之后已经知道了线程阻塞在doAcquireSharedInterruptibly()方法中。如果线程没有被中断过,会判断state的值,这里线程是被调用countDown方法唤醒的,所以state一定是0,所以会调用setHeadAndPropagate()方法更新头结点并继续唤醒之后的线程。这样就会把依次将所有阻塞的阻塞线程都唤醒。(因为countDownLatch的计数器为0之后需要将所有调用await()阻塞的线程唤醒)

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            //
            for (;;) {
                //获取当前节点的前一个节点
                final Node p = node.predecessor();
                //如果前一个节点是head节点
                if (p == head) {
                    //再次判断state的值是否为0
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    // tryAcquireShared()返回1代表state为0
                    if (r &gt;= 0) {
                        //将当前节点设置为头节点 并且唤醒下一个正常的节点
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                //线程被唤醒之后继续从这里开始执行 如果线程没有被中断过 会进入都下次for循环
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &amp;&amp;
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

五:最后

本篇文章主要介绍了CountDownLatch的使用并且通过分析其源码对CountDownLatch的原理进行了分析。

注:其实像addWaiter(),unparkSuccessor(),shouldParkAfterFailedAcquire()等一些AQS公用的方法在我的另外一篇文章里分析过,原文地址:ReentrantLock源码分析

更多关于java并发包CountDownLatch的资料请关注其它相关文章!

原文地址:https://juejin.cn/post/7055641867374821406

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