Java CountDownLatch的源码硬核解析-Java开发

对于并发执行，Java中的CountDownLatch是一个重要的类。为了更好的理解CountDownLatch这个类，本文将通过例子和源码带领大家深入解析这个类的原理，感兴趣的可以学习一下

前言

对于并发执行，Java中的CountDownLatch是一个重要的类，简单理解， CountDownLatch中count down是倒数的意思，latch则是“门闩”的含义。在数量倒数到0的时候，打开“门闩”, 一起走，否则都等待在“门闩”的地方。

为了更好的理解CountDownLatch这个类，本文通过例子和源码带领大家深入解析这个类的原理。

介绍和使用

例子

我们先通过一个例子快速理解下CountDownLatch的妙处。

最近LOL S12赛如火如荼举行，比如我们玩王者荣耀的时候，10个万玩家登入游戏，每个玩家的网速可能不一样，只有每个人进度条走完，才会一起来到王者峡谷，网速快的要等网速慢的。我们通过例子模拟下这个过程。

@Slf4j(topic = "a.CountDownLatchTest")
public class CountDownLatchTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个倒时器，默认10个数量
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 设置进度数据
        String[] personProcess = new String[10];
        Random random = new Random();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalJ = i;
            service.submit(() -> {
                // 模拟10个人的进度条
                for (int j = 0; j <= 100; j++) {
                    // 模拟网速快慢，随机生成
                    try {
                        Thread.sleep(random.nextInt(100));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    // 设置进度数据
                    personProcess[finalJ] = j + "%";
                   log.info("{}", Arrays.toString(personProcess));
                }

                // 运行结束，倒时器 - 1
                latch.countDown();
            });
        }
        // 打开"阀门"
        latch.await();
       log.info("王者峡谷到了");
        service.shutdown();
    }
}

运行结果：

概述

CountDownLatch一般用作多线程倒计时计数器，强制它们等待其他一组（CountDownLatch的初始化决定）任务执行完成。

构造器:

public CountDownLatch(int count)：设置倒数器需要倒数的数量

常用API:

public void await() throws InterruptedException：调用await()方法的线程会被挂起，等待直到count值为0再继续执行。
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException：同await()，若等待timeout时长后，count值还是没有变为0，不再等待，继续执行。时间单位如下常用的毫秒、天、小时、微秒、分钟、纳秒、秒。
public void countDown()： count值递减1
public long getCount()：获取当前count值

常见使用场景：

一个程序中有N个任务在执行，我们可以创建值为N的CountDownLatch，当每个任务完成后，调用一下countDown()方法进行递减count值，再在主线程中使用await()方法等待任务执行完成，主线程继续执行。

实现思路

通过前面的例子和介绍我们知道CountDownLatch的大致使用流程：

创建CountDownLatch并设置计数器值。
启动多线程并且调用CountDownLatch实例的countDown()方法。
主线程调用 await() 方法，这样主线程的操作就会在这个方法上阻塞，直到其他线程完成各自的任务，count值为0，停止阻塞，主线程继续执行。

不妨我们先思考下，它是怎么实现的呢？我们可以问自己几个问题？

如何做到可以让主线程阻塞等待在那里？是不是可以调用LockSupport.park()方法进行阻塞。
那么什么时候该阻塞呢？我们需要有个变量，比如state, 如果state大于0，就阻塞主线程。
那么什么时候该唤醒呢，又如何唤醒呢？如果任务执行完成后，我们让state 减去1，也就是调用countDown()方法，如果发现state是0，那么就调用LockSupport.unpark()唤醒此前阻塞的地方，继续执行。

是不是很熟悉，这就是我们的AQS共享模式的实现原理啊，不了解AQS共享模式的可以参考本篇文章：深入浅出理解Java并发AQS的共享锁模式

我们把思路理清楚后，直接看CountDownLatch的源码。

源码解析

类结构图

以上是CountDownLatch的类结构图，

Sync是CountDownLatch的内部类，被成员变量sync持有。
Sync继承了AbstractQueuedSynchronizer，也就是我们大名鼎鼎的AQS。

await() 实现原理

1.线程调用 await()会阻塞等待其他线程完成任务

// CountDownLatch#await
public void await() throws InterruptedException {
    // 调用AbstractQueuedSynchronizer的acquireSharedInterruptibly方法
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// AbstractQueuedSynchronizer#acquireSharedInterruptibly
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 判断线程是否被打断，抛出打断异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 尝试获取共享锁
    // 条件成立说明 state > 0，此时线程入队阻塞等待，等待其他线程获取共享资源
    // 条件不成立说明 state = 0，此时不需要阻塞线程，直接结束函数调用
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        // 阻塞当前线程的逻辑
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
// CountDownLatch.Sync#tryAcquireShared
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

2.doAcquireSharedInterruptibly()方法是实现线程阻塞的核心逻辑

// AbstractQueuedSynchronizer#doAcquireSharedInterruptibly
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 将调用latch.await()方法的线程 包装成 SHARED 类型的 node 加入到 AQS 的阻塞队列中
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            // 获取当前节点的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 前驱节点时头节点就可以尝试获取锁
            if (p == head) {
                // 再次尝试获取锁，获取成功返回 1
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    // 获取锁成功，设置当前节点为 head 节点，并且向后传播
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 阻塞在这里
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        // 阻塞线程被中断后抛出异常，进入取消节点的逻辑
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

3.parkAndCheckInterrupt()方法中会进行阻塞操作

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    	// 阻塞线程
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

countDown()实现原理

1.任务结束调用 countDown() 完成计数器减一（释放锁）的操作

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

public final boolean releaseShared(int arg) {
    // 尝试释放共享锁
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        // 释放锁成功开始唤醒阻塞节点
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

2.调用tryReleaseShared()方法尝试释放锁，true表示state等于0，去唤醒阻塞线程。

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int c = getState();
        // 条件成立说明前面【已经有线程触发唤醒操作】了，这里返回 false
        if (c == 0)
            return false;
        // 计数器减一
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            // 计数器为 0 时返回 true
            return nextc == 0;
    }
}

3.调用doReleaseShared()唤醒阻塞的节点

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        // 判断队列是否是空队列
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            // 头节点的状态为 signal，说明后继节点没有被唤醒过
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                // cas 设置头节点的状态为 0，设置失败继续自旋
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;
                // 唤醒后继节点
                unparkSuccessor(h);
            }
            // 如果有其他线程已经设置了头节点的状态，重新设置为 PROPAGATE 传播属性
            else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;
        }
        // 条件不成立说明被唤醒的节点非常积极，直接将自己设置为了新的head，
        // 此时唤醒它的节点（前驱）执行 h == head 不成立，所以不会跳出循环，会继续唤醒新的 head 节点的后继节点
        if (h == head)
            break;
    }
}