前言

在多線程編程中，經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)一種機(jī)制來協(xié)調(diào)多個(gè)線程的執(zhí)行，以確保某些操作在所有線程完成后再進(jìn)行。CountDownLatch 就是 Java 并發(fā)包中提供的一種同步工具，它能夠讓一個(gè)或多個(gè)線程等待其他線程完成操作。

了解 CountDownLatch

概括

CountDownLatch 是Java 1.5版本推出的一個(gè)同步輔助類，在構(gòu)造時(shí)需要指定一個(gè)計(jì)數(shù)值，該計(jì)數(shù)值表示需要等待的事件數(shù)量。每當(dāng)一個(gè)事件完成時(shí)，計(jì)數(shù)值就會(huì)減一，當(dāng)計(jì)數(shù)值減至零時(shí)，等待的線程就會(huì)被喚醒繼續(xù)執(zhí)行。

CountDownLatch 的應(yīng)用場景

CountDownLatch 可以被廣泛應(yīng)用于各種多線程協(xié)作的場景，例如：

• 主線程等待多個(gè)子線程完成后再執(zhí)行下一步操作。
• 多個(gè)子任務(wù)并行執(zhí)行，最后合并結(jié)果。
• 并行計(jì)算中，等待所有計(jì)算任務(wù)完成后進(jìn)行統(tǒng)一匯總。

使用案例

讓我們通過一個(gè)示例代碼來理解 CountDownLatch 的使用。假設(shè)有一個(gè)任務(wù)需要被分配給多個(gè)子線程來完成，并且主線程需要等待所有子線程執(zhí)行完畢后才能繼續(xù)執(zhí)行。

//任務(wù)分割的線程數(shù)
private static final int THREAD_TOTAL = 10;

//子線程執(zhí)行的超時(shí)時(shí)間
private static final int countDownLatchTimeout = 5;

public static void main(String[] args) {
    //創(chuàng)建CountDownLatch并設(shè)置計(jì)數(shù)值，該count值可以根據(jù)線程數(shù)的需要設(shè)置
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_TOTAL);

    //創(chuàng)建線程池，開啟、創(chuàng)建異步線程執(zhí)行任務(wù)
    ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < THREAD_TOTAL; i++) {
        cachedThreadPool.execute(() -> {
            try {
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something!");
            } catch (Exception e) {
                System.out.println("Exception: do something exception");
            } finally {
                //該線程執(zhí)行完畢-1
                countDownLatch.countDown();
            }
        });
    }

    //回到主線程中
    System.out.println("Back main thread do something");
    try {
        //主線程等待線程池中完成（子線程執(zhí)行超時(shí)時(shí)間）
        boolean await = countDownLatch.await(countDownLatchTimeout, TimeUnit.MINUTES);
        System.out.println(await);
    } catch (InterruptedException e) {
        System.out.println("Exception: await interrupted exception");
    } finally {
        System.out.println("countDownLatch: " + countDownLatch);
    }
    System.out.println("main thread do something-2");
}

CountDownLatch 的優(yōu)缺點(diǎn)分析

優(yōu)點(diǎn)

• 簡單易用：CountDownLatch 的使用非常簡單，通過 await 和 countDown 方法即可實(shí)現(xiàn)多線程的協(xié)作。
• 靈活性：可以根據(jù)具體場景指定等待的計(jì)數(shù)值，可以靈活控制多個(gè)線程的協(xié)作關(guān)系。
• 高效性：底層使用了 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）來實(shí)現(xiàn)同步，能夠保證高效地協(xié)調(diào)多個(gè)線程的執(zhí)行順序。

缺點(diǎn)

• 一次性：CountDownLatch 的計(jì)數(shù)值只能減少，無法重置。一旦計(jì)數(shù)值減至零，就不能再次使用。
• 無法中途取消：一旦等待開始，就無法中途取消等待，除非等待超時(shí)或者發(fā)生中斷。

如果您學(xué)有余力或手頭沒有著急的需求，請繼續(xù)往下看，讓我們簡單從源碼層面分析下CountDownLatch的實(shí)現(xiàn)。

從源碼層面分析CountDownLatch的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)

我截取了CountDownLatch內(nèi)部關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)邏輯來分析其實(shí)現(xiàn)原理：

CountDownLatch的功能主要通過內(nèi)部類Sync實(shí)現(xiàn)，在內(nèi)部類中，Sync繼承自AbstractQueuedSynchronizer來實(shí)現(xiàn)同步操作，AbstractQueuedSynchronizer提供了同步器實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)框架，通過該類，開發(fā)者可以相對容易地實(shí)現(xiàn)自定義的同步器，例如獨(dú)占鎖、共享鎖、信號量等。

/**
 * Synchronization control For CountDownLatch.
 * Uses AQS state to represent count.
 */
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

    Sync(int count) {
        setState(count);
    }

    int getCount() {
        return getState();
    }

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

    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;
            if (compareAndSetState(c, nextc))
                return nextc == 0;
        }
    }
}

private final Sync sync;


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


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

• Sync ：定義了一個(gè)名為 Sync 的靜態(tài)內(nèi)部類，它繼承自 AbstractQueuedSynchronizer 類，這個(gè)類通常被用于實(shí)現(xiàn)鎖和相關(guān)的同步器。
• count：定義了一個(gè)序列化版本號，用于在對象序列化和反序列化時(shí)進(jìn)行版本控制。同時(shí)count在CountDownLatch的構(gòu)造方法中用于設(shè)置當(dāng)前狀態(tài)，即：編碼人員傳入的計(jì)數(shù)值。
• getCount：獲取當(dāng)前狀態(tài)值，即剩余的計(jì)數(shù)值。
• tryAcquireShared：嘗試獲取共享資源，如果當(dāng)前狀態(tài)為0，則返回1表示成功獲取資源，否則返回-1表示獲取資源失敗。

tryReleaseShared

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;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

tryReleaseShared 方法嘗試釋放共享資源，首先通過一個(gè)無限循環(huán)不斷嘗試，在循環(huán)中獲取當(dāng)前狀態(tài)值，如果狀態(tài)值已經(jīng)為0，則直接返回false；否則將狀態(tài)值減1，并嘗試原子性地設(shè)置狀態(tài)值，如果設(shè)置成功，則返回是否狀態(tài)值變?yōu)?，否則繼續(xù)循環(huán)。

總的來說，這段代碼實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的 CountDownLatch 功能，通過 tryAcquireShared 方法嘗試獲取共享資源，通過 tryReleaseShared 方法嘗試釋放共享資源。當(dāng)共享資源的狀態(tài)值為0時(shí)，表示所有等待的線程都已被釋放。

擴(kuò)展

CompletableFuture簡述

在JDK 1.8后，java.util.concurrent包提供了CompletableFuture類用于支持異步編程和異步任務(wù)的處理，相較于CountDownLatch，它提供了更豐富的API，就個(gè)人而言，我更喜歡CompletableFuture，因?yàn)樗鼣U(kuò)展性強(qiáng)，更適合JDK 8提供的函數(shù)式編程特性，代碼更加優(yōu)雅。

CompletableFuture 的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

• 功能強(qiáng)大：CompletableFuture 提供了豐富的方法和組合操作，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的異步編程邏輯。
• 支持異常處理：可以通過 exceptionally 或 handle 方法方便地處理異步操作中的異常情況。
• 支持組合操作：可以通過 thenCompose、thenCombine 等方法方便地進(jìn)行多個(gè) CompletableFuture 的組合操作。

缺點(diǎn)

• 學(xué)習(xí)曲線較陡：相對于 CountDownLatch，CompletableFuture 的使用可能需要更多的學(xué)習(xí)和理解異步編程的概念。
• 復(fù)雜度較高：在復(fù)雜的業(yè)務(wù)場景下，可能會(huì)出現(xiàn)嵌套回調(diào)、異常處理困難等問題，增加了代碼的復(fù)雜度。

總結(jié)

CountDownLatch 和 CompletableFuture 都是 Java 中用于多線程協(xié)作的工具，它們各自適用于不同的場景。CountDownLatch 更適合簡單的多線程協(xié)作，而 CompletableFuture 則更適合復(fù)雜的異步編程場景。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)具體的需求選擇合適的工具來實(shí)現(xiàn)多線程協(xié)作和異步編程，以達(dá)到更好的開發(fā)效率和代碼質(zhì)量。

以上就是java使用CountDownLatch實(shí)現(xiàn)多線程協(xié)作的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于java CountDownLatch的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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