深度解析Java中CountDownLatch的原理

更新時間：2023年07月19日 09:13:08 作者：我是小趴菜

在高并發(fā)編程中，AbstractQueuedSynchronizer（簡稱AQS）抽象的隊(duì)列同步器是我們必須掌握的,本文將通過CountDownLatch底層實(shí)現(xiàn)原理來了解AQS共享鎖模式的實(shí)現(xiàn)原理，快跟隨小編一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

在高并發(fā)編程中，AbstractQueuedSynchronizer（簡稱AQS）抽象的隊(duì)列同步器是我們必須掌握的，AQS底層提供了二種鎖模式

獨(dú)占鎖：ReentrantLock就是基于獨(dú)占鎖模式實(shí)現(xiàn)的
共享鎖：CountDownLatch,ReadWriteLock,Semplere都是基于共享鎖模式實(shí)現(xiàn)的

接下來我們通過CountDownLatch底層實(shí)現(xiàn)原理來了解AQS共享鎖模式的實(shí)現(xiàn)原理

CountDownLatch用法

CountDownLatch一般是在需要等待多個線程全部執(zhí)行完畢之后才繼續(xù)執(zhí)行剩下的業(yè)務(wù)邏輯，舉個例子，比如你現(xiàn)在去餐廳吃飯點(diǎn)了份辣子雞。

這時候餐廳有處理雞塊的，有配置調(diào)料的，還有燒菜的等多個廚師一起協(xié)作最后才能完成一道辣子雞，而且這幾個步驟可以是一起執(zhí)行的。一個廚師在配置調(diào)料的同時，另外一個廚師正在處理雞塊，還有一個廚師正在熱油等。

但是作為顧客的我們來說，我們必須等到這幾個廚師全部執(zhí)行完畢之后我們才能吃到辣子雞

public static void main(String[] args) throws Exception{
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
    new Thread(() -> {
        System.out.println("處理雞塊");
        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
        countDownLatch.countDown();
    }).start();
    new Thread(() -> {
        System.out.println("配置調(diào)料");
        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
        countDownLatch.countDown();
    }).start();
    new Thread(() -> {
        System.out.println("起鍋熱油");
        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
        countDownLatch.countDown();
    }).start();
    //會阻塞，等待所有的線程執(zhí)行結(jié)束之后才會繼續(xù)執(zhí)行剩下的邏輯
    countDownLatch.await();
    //執(zhí)行剩下業(yè)務(wù)邏輯
}

首先我們看 countDownLatch.await(); 這段阻塞的代碼，看下底層是如何讓線程進(jìn)入阻塞等待的

進(jìn)入之后到CountDownLatch類中，然后繼續(xù)這個方法

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

此時就會進(jìn)去AQS的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)中

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

首先我們看下 tryAcquireShared(arg) < 0 這個判斷是干嘛的，他是進(jìn)入到CountDownLatch的類中，這里判斷 state的值是否等于0，在初始化 CountDownLatch 的時候，我們將state的值初始化成了3，只有當(dāng)執(zhí)行一次 countDownLatch.countDown(); 的時候，這個值才會減1，但是此時我們的線程還沒有執(zhí)行結(jié)束，所以這個值不會等于0，那么這時候就會返回 -1

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

返回-1以后，就會執(zhí)行 doAcquireSharedInterruptibly(arg); 這個業(yè)務(wù)邏輯了

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    //創(chuàng)建一個新的共享的Node節(jié)點(diǎn)
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                //嘗試判斷state是否已經(jīng)等于0了，如果是，那么主線程就不用阻塞了，
                //可以繼續(xù)執(zhí)行了，以此來提高程序性能
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())  //這里才是真正讓主線程阻塞的核心方法
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

我們看一下這里的 addWaiter(Node.SHARED)方法

private Node addWaiter(Node mode) {
    //把當(dāng)前線程，也就是main線程封裝成一個Node，并設(shè)置成共享模式
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    //在第一次的時候，這個tail節(jié)點(diǎn)是為null的
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //初始化鏈表
    enq(node);
    return node;
}

分析下初始化雙向鏈表邏輯

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {  //注意：這里是死循環(huán)
        Node t = tail;
        //第一次進(jìn)來，因?yàn)閠ail=null，所以會進(jìn)入到if里面去
        if (t == null) { // Must initialize
            //這里新創(chuàng)建一個空的Node節(jié)點(diǎn)
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

第一次進(jìn)來：因?yàn)榈谝淮芜M(jìn)來的時候tail=null,所以會進(jìn)入到if中去，然后創(chuàng)建一個新的空的節(jié)點(diǎn),然后將頭節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)都指向這個節(jié)點(diǎn)

然后進(jìn)入第二次循環(huán)：這時候tail已經(jīng)不為空了，所以會進(jìn)入到else分支里面去，所以的操作就是將當(dāng)前線程封裝成的Node設(shè)置尾巴節(jié)點(diǎn)，然后設(shè)置前置節(jié)點(diǎn)和后置節(jié)點(diǎn)的關(guān)系

現(xiàn)在回頭addWaiter()方法已經(jīng)清楚了，繼續(xù)分析剩下的邏輯

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    //創(chuàng)建一個新的共享的Node節(jié)點(diǎn)
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) { //這里還是個死循環(huán)
            //拿到頭節(jié)點(diǎn)
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                //繼續(xù)判斷state的值是否等于0，如果已經(jīng)等于0了，那么主線程就不需要阻塞等待了，可以繼續(xù)執(zhí)行了
                int r = tryAcquireShared(arg);
                //如果state的值等于0，這里r=1,不等于0，r=-1
                //我們假設(shè)現(xiàn)在就是不等于0，也就是其它線程還沒有執(zhí)行結(jié)束，所以不會進(jìn)入到if
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

進(jìn)入 shouldParkAfterFailedAcquire()方法

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    //這里獲取Node的waitStatus,在Node初始化之后，默認(rèn)是是0，
    //所以會進(jìn)入到 else 分支里面去，將Node的waitStatus的值修改成Node.SIGNAL
    //但是在上一步中是一個死循環(huán)，所以會再次進(jìn)入到這個方法中，這時候waitStatus的值是Node.SIGNAL
    //所以會進(jìn)入到第一個if分支里面去，最后返回true
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else { 
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

這時候shouldParkAfterFailedAcquire()方法返回了true,就會執(zhí)行 parkAndCheckInterrupt()方法了

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    //真正讓線程阻塞的核心方法
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

當(dāng)主線程掛起之后，只有全部線程執(zhí)行結(jié)束了，才會繼續(xù)執(zhí)行,所以我們來分析下 countDownLatch.countDown();

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

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

進(jìn)入tryReleaseShared(arg)方法，是判斷state是否等于0的，

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int c = getState();
        //第一次進(jìn)來，因?yàn)閟tate=3，所以不會進(jìn)入if，只有在初始化的時候?qū)tate設(shè)置成0，
        //或者你有10個資源，但是有11個線程來獲取資源，最后一個線程進(jìn)來的時候也會等于0
        if (c == 0)
            return false;
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

一直到第三次進(jìn)來之后，nextc就會等于0，因?yàn)橐还矞p了三次1，也就是最后一個線程執(zhí)行到這里來了，最后返回true，返回true以后就會執(zhí)行doReleaseShared();方法了

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;
                // 核心方法，喚醒阻塞線程,這里傳入的是頭節(jié)點(diǎn)  
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                
        }
        if (h == head)                   
            break;
    }
}

private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    //拿到真正封裝了當(dāng)前線程的Node
    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)
        // 執(zhí)行喚醒操作
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

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