深入浅出Java并发包—CountDownLauch原理分析
一线天色天宇星辰 IT哈哈
CountDownLauch是Java并发包中的一个同步工具集，常被人们称之为并发中的计数器，还有一种被成为闭锁！
CountDownLauch主要使用在两种场景，一种被称为开关，它允许一个任务完成之前，一个或一组线程持续等待。此种情况经常被称之为闭锁，通俗的讲就是，相当于一扇大门，在大门打开之前所有线程都被阻断，一旦大门打开，所有线程都将通过，但是一旦大门打开，所有线程都通过了，那么这个闭锁的状态就失效了，门的状态也就不能变了，只能是打开状态。另一种场景经常被称之为计数器，它允许将一个任务拆分为N个小任务，主线程在所有任务完成之前一直等待，每个任务完成时将计数器减一，直到所有任务完成后取消主线程的阻塞。
我们来看一下对应CountDownLauch对应的API。
CountDownLatch维护了一个正数计数器，countDown方法对计数器做减操作，await方法等待计数器达到0。所有await的线程都会阻塞直到计数器为0或者等待线程中断或者超时。
我们分别来看一下对应的一个应用实例：
package com.yhj.lauth;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
//工人
class Worker extends Thread{
privateintworkNo;//工号
private CountDownLatch startLauch;//启动器-闭锁
private CountDownLatch workLauch;//工作进程-计数器
public Worker(int workNo,CountDownLatch startLauch,CountDownLatch workLauch) {
this.workNo = workNo;
this.startLauch = startLauch;
this.workLauch = workLauch;
}
@Override
publicvoid run() {
try {
System.out.println(new Date()+" - YHJ"+workNo+" 准备就绪！准备开工！");
startLauch.await();//等待老板发指令
System.out.println(new Date()+" - YHJ"+workNo+" 正在干活...");
Thread.sleep(100);//每人花100ms干活
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally{
System.out.println(new Date()+" - YHJ"+workNo+" 工作完成!");
workLauch.countDown();
}
}
}
//测试用例
publicclass CountDownLauthTestCase {
publicstaticvoid main(String[] args) throws InterruptedException {
int workerCount = 10;//工人数目
CountDownLatch startLauch = new CountDownLatch(1);//闭锁相当于开关
CountDownLatch workLauch = new CountDownLatch(workerCount);//计数器
System.out.println(new Date()+" - Boss：集合准备开工了！");
for(int i=0;i<workerCount;++i){
new Worker(i, startLauch, workLauch).start();
}
System.out.println(new Date()+" - Boss：休息2s后开工!");
Thread.sleep(2000);
System.out.println(new Date()+" - Boss：开工!");
startLauch.countDown();//打开开关
workLauch.await();//任务完成后通知Boss
System.out.println(new Date()+" - Boss：不错!任务都完成了！收工回家！");
}
}
执行结果：
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - Boss：集合准备开工了！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ0 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ2 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ1 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ4 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - Boss：休息2s后开工!
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ8 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ6 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ3 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ7 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ5 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:33 CST 2013 - YHJ9 准备就绪！准备开工！
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - Boss：开工!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ0 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ2 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ1 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ4 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ8 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ6 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ3 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ7 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ5 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ9 正在干活...
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ5 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ1 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ3 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ6 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ7 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ9 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ4 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ0 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ2 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - YHJ8 工作完成!
Sat Jun 08 18:59:35 CST 2013 - Boss：不错!任务都完成了！收工回家！这个示例里面使用了两个CountDownLauch，分别构建了两种场景，第一个startLauch相当于开关，在开启之前，没有任何一个线程执行，当开启之后，所有线程同时可以执行。第二个workerLauch其实就是一个计数器，当计数器没有减到零的时候，主线程一直等待，当所有线程执行完毕后，主线程取消阻塞继续执行！
第二种场景在我们后面要学习的线程池中经常会用到，我们后续再讨论！
此处还有一个重要的特性，就是
内存一致性效果：线程中调用 countDown() 之前的操作happen-before紧跟在从另一个线程中对应 await() 成功返回的操作。
场景应用我们是看到了，那它到底是基于什么原理，怎么实现的呢？
我们来看下对应的源码：
privatestaticfinalclass Sync extends AbstractQueuedSynchronizer类的第二行我们就看到了其内部实现了AQS的一个同步器。我们重点来看下我们用到的几个方法：await和countDown。首先来看await方法
publicvoid await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}很明显是直接调用内部重新实现的同步器的获取共享锁的方法（前面我们一直再讲独占锁，今天我们借此机会把共享锁的机制一起讲掉）。
publicfinalvoid acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
thrownew InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}此处如果线程中断，则直接退出，否则尝试获取共享锁，我们来看下tryAcquireShared(arg)的实现（此方法由内部类重写实现）：
publicint tryAcquireShared(int acquires) {
return getState() == 0? 1 : -1;
}所谓共享锁是说所有共享锁的线程共享同一个资源，一旦任意一个线程拿到共享资源，那么所有线程就都拥有的同一份资源。也就是通常情况下共享锁只是一个标志，所有线程都等待这个标识是否满足，一旦满足所有线程都被激活（相当于所有线程都拿到锁一样）。这里的闭锁CountDownLatch就是基于共享锁的实现。和明显这里的标识就是state等不等于零，而state其实是有多少个线程在竞争这份资源，我们前面可以看到是通过构造函数传入的一个大于0的数据，因此此时此刻此处返回的永远是-1。
Sync(int count) {
setState(count);
}当tryAcquireShared返回的数据小于零，说明没有获取到资源，需要阻塞，此时执行代码doAcquireSharedInterruptibly（）：
privatevoid doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
break;
}
} catch (RuntimeException ex) {
cancelAcquire(node);
throw ex;
}
// Arrive here only if interrupted
cancelAcquire(node);
thrownew InterruptedException();
}这里首先以共享模式添加一个节点加入到CLH队列中去，然后检查当前节点的前继节点（插入的数据在队尾），如果前继节点是头结点并且当前的计数器为0的话，则唤醒后继节点（唤醒后面来讲），否则判断是否需要阻塞，如果需要，则阻塞当前线程！直到被唤醒或被中断！
privatefinalboolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}这里注意一点，LockSupport.park(Obj)中的参数obj是阻塞的监视对象，而非阻塞的对象，阻塞的对象是当前操作的线程，所以unpack的时候也是应该结算对应的线程！不要搞混了哈！
publicstaticvoid park(Object blocker) {
Thread t = Thread.currentThread();
setBlocker(t, blocker);
unsafe.park(false, 0L);
setBlocker(t, null);
}
publicstaticvoid unpark(Thread thread) {
if (thread != null)
unsafe.unpark(thread);
}下面我们来看一下对应的countDown方法的实现
publicvoid countDown() {
sync.releaseShared(1);
}首先每执行一次countDown就会执行内部方法的一次释放锁的操作！
publicfinalboolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
returntrue;
}
returnfalse;
}如果尝试成功则设置当前节点为头结点，并唤醒对应节点的后继节点！
publicboolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
returnfalse;
int nextc = c-1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}同样，释放锁的方法也是CountDownLauch内部的同步类自己实现，这个方法自旋检测当前计数器的数目，如果等于零，说明之前阻塞的线程已经全部释放了，直接返回false，否则CAS设置当前的计数器，减去countdown的数目，如果设置成功后的数据为零的话，说明已经全部执行完毕，需要释放阻塞的线程了，返回true（注意此处精妙的返回nextc == 0），否则返回false。
我们再来回看releaseShared方法，当tryReleaseShared返回true的时候，说明计数器已经为零，阻塞的资源需要释放了！此时执行unparkSuccessor(h)方法唤醒队列中的头结点。
此处设计了一个精妙的队列依次去释放被阻塞的线程，而不是类似singleAll的方法直接唤醒所有线程。那到底它是怎么实现的呢？我们代码上看只唤醒了头结点（其实是头结点的后继节点，头结点只是一个空节点），我们先来看下unparkSuccessor的实现
privatevoid unparkSuccessor(Node node) {
/*
* Try to clear status in anticipation of signalling. It is
* OK if this fails or if status is changed by waiting thread.
*/
compareAndSetWaitStatus(node, Node.SIGNAL, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}明显我们可以看到，传入的参数为头结点，通过CAS设置数据后，唤醒了头结点的后继结点（注意unpack的是线程而不是阻塞监视器）。然后就返回了！
那剩余阻塞的线程是怎么唤醒的呢？我们再来看下await方法中doAcquireSharedInterruptibly的实现
privatevoid doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg); // tag 2
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r); // tag 3
p.next = null; // help GC
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())// tag 1
break;
}
} catch (RuntimeException ex) {
cancelAcquire(node);
throw ex;
}
// Arrive here only if interrupted
cancelAcquire(node);
thrownew InterruptedException();
}前面我们可以看到在执行parkAndCheckInterrupt()时进行了阻塞，当我们唤醒头结点的后继节点（第一个进入队列的节点）时，tag1此行代码被唤醒，break之后继续进入自旋，而此时tag2行代码检测到计数器已经为0，因此tryAcquireShared(arg)返回的结果是1（之前返回的都是-1），r大于零，进入tag3代码，tag3会把当前的线程设置为头结点，然后继续唤醒后续的后继节点。
privatevoid setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
setHead(node); // tag 4
if (propagate > 0 && node.waitStatus != 0) {
/*
* Don't bother fully figuring out successor. If it
* looks null, call unparkSuccessor anyway to be safe.
*/
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
unparkSuccessor(node); // tag 5
}
}后继节点被唤醒后，则继续唤醒后面的后继节点，进而把队列中的数据依次唤醒！
整个CountDownLatch就是这个样子的。其实有了前面原子操作和AQS的原理及实现，分析CountDownLatch还是比较容易的。