聊聊 CountDownLatch 闭锁源码分析

功能简介

闭锁是一种同步工具类，可以延迟线程的进度直到其到达终止状态【CPJ 3.4.2】。闭锁的作用相当于一扇门∶ 在闭锁到达结束状态之前，这扇门一直是关闭的，并且没有任何线程能通过，当到达结束状态时，这扇门会打开并允许所有的线程通过。当闭锁到达结束状态后，将不会再改变状态，因此这扇门将永远保持打开状态。闭锁可以用来确保某些活动直到其他活动都完成后才继续执行，例如∶

确保某个计算在其需要的所有资源都被初始化之后才继续执行。二元闭锁(包括两个状态)可以用来表示"资源R已经被初始化"，而所有需要 R 的操作都必须先在这个闭锁上等待。
确保某个服务在其依赖的所有其他服务都已经启动之后才启动。每个服务都有一个相关的二元闭锁。当启动服务S 时，将首先在S依赖的其他服务的闭锁上等待，在所有依赖的服务都启动后会释放闭锁S，这样其他依赖 S 的服务才能继续执行。
等待直到某个操作的所有参与者(例如，在多玩家游戏中的所有玩家)都就绪再继续执行。在这种情况中，当所有玩家都准备就绪时，闭锁将到达结束状态。

CountDownLatch.jpg

CountDownLatch是一种灵活的闭锁实现，可以在上述各种情况中使用，它可以使一个或多个线程等待一组事件发生。闭锁状态包括一个计数器，该计数器被初始化为一个正数，表示需要等待的事件数量。countDown方法递减计数器，表示有一个事件已经发生了，而 await方法等待计数器达到零，这表示所有需要等待的事件都已经发生。如果计数器的值非零，那么 await 会一直阻塞直到计数器为零，或者等待中的线程中断，或者等待超时。

使用案例

TestHarness 中给出了闭锁的两种常见用法。TestHarness 创建一定数量的线程，利用它们并发地执行指定的任务。它使用两个闭锁，分别表示"起始门(Starting Gate)"和"结束门(Ending Gate)"。起始门计数器的初始值为1，而结束门计数器的初始值为工作线程的数量。每个工作线程首先要做的就是在启动门上等待，从而确保所有线程都就绪后才开始执行。而每个线程要做的最后一件事情是将调用结束门的 countDown 方法减1，这能使主线程高效地等待直到所有工作线程都执行完成，因此可以统计所消耗的时间。

public class TestHarness {
public long timeTasks(int nThreads, final Runnable task) throws InterruptedException {
final CountDownLatch startGate = new CountDownLatch(1);
final CountDownLatch endGate = new CountDownLatch(nThreads);
for (int i = 0; i < nThreads; i++) {
Thread t = new Thread(() -> {
try {
startGate.await();
try {
task.run();
} finally {
endGate.countDown();
}
} catch (InterruptedException ignored) {
}
});
t.start();
}
long start = System.nanoTime();
startGate.countDown();
endGate.await();
long end = System.nanoTime();
return end - start;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
TestHarness testHarness = new TestHarness();
AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
long time = testHarness.timeTasks(10, () -> System.out.println(num.incrementAndGet()));
System.out.println("cost time: " + time + "ms");
}
}
//输出结果
1
10
9
8
7
5
6
4
3
2
cost time: 2960900ms

为什么要在 TestHarness 中使用闭锁，而不是在线程创建后就立即启动? 或许，我们希望测试 n 个线程并发执行某个任务时需要的时间。如果在创建线程后立即启动它们，那么先启动的线程将"领先"后启动的线程，并且活跃线程数量会随着时间的推移而增加或减少，竞争程度也在不断发生变化。启动门将使得主线程能够实时释放所有工作线程，而结束门则使主线程能够等待最后一个线程执行完成，而不是顺序地等待每个线程执行完成。

使用总结

CountDownLatch 是一次性的，计算器的值只能在构造方法中初始化一次，之后没有任何机制再次对其设置值，当CountDownLatch 使用完毕后，它不能再次被使用。

源码分析

代码分析

CountDownLatch　在底层还是采用 AbstractQueuedSynchronizer 实现。

CountDownLatch startGate = **new **CountDownLatch(1);

我们先看它的构造方法, 创建了一个 sync 对象。

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

Sync 是 AbstractQueuedSynchronizer 的一个实现, 按照字面意思我们可以猜到它是公平方式实现。

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
// 构造方法
Sync(int count) {
setState(count);
}
// 获取资源数
int getCount() {
return getState();
}
// 获取锁
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
// 释放锁
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
int nextc = c-1;
// CAS 解锁
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
}

在 await 方法中如果存在计算值, 那么当前线程将进入 AQS 队列生成 Node 节点, 线程进入阻塞状态。

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

其实主要是获取共享锁。

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

CountDownLatch.Sync 实现了 tryAcquireShared 方法 ,如果 getState() == 0 返回 1 , 否则返回 -1. 也就是说创建 CountDownLatch 实例后再执行 await 方法将继续调用 doAcquireSharedInterruptibly(arg);