java并发学习-CountDownLatch实现原理全面讲解

CountDownLatch在多线程并发编程中充当一个计时器的功能，并且维护一个count的变量，并且其操作都是原子操作。

如下图，内部有下static final的Sync类继承自AQS.

该类主要通过countDown()和await()两个方法实现功能的，首先通过建立CountDownLatch对象，并且传入参数即为count初始值。

如果一个线程调用了await()方法，那么这个线程便进入阻塞状态，并进入阻塞队列。

如果一个线程调用了countDown()方法，则会使count-1；当count的值为0时，这时候阻塞队列中调用await()方法的线程便会逐个被唤醒，从而进入后续的操作。

补充：Java并发包中CountDownLatch的工作原理、使用示例

1. CountDownLatch的介绍

CountDownLatch是一个同步工具，它主要用线程执行之间的协作。CountDownLatch 的作用和 Thread.join() 方法类似，让一些线程阻塞直到另一些线程完成一系列操作后才被唤醒。在直接创建线程的年代（Java 5.0 之前），我们可以使用 Thread.join()。在线程池出现后，因为线程池中的线程不能直接被引用，所以就必须使用 CountDownLatch 了。

CountDownLatch主要有两个方法，当一个或多个线程调用await方法时，这些线程会阻塞。其它线程调用countDown方法会将计数器减1(调用countDown方法的线程不会阻塞)，当计数器的值变为0时，因await方法阻塞的线程会被唤醒，继续执行。

实现原理：计数器的值由构造函数传入，并用它初始化AQS的state值。当线程调用await方法时会检查state的值是否为0，如果是就直接返回（即不会阻塞）；如果不是，将表示该节点的线程入列，然后将自身阻塞。当其它线程调用countDown方法会将计数器减1，然后判断计数器的值是否为0，当它为0时，会唤醒队列中的第一个节点，由于CountDownLatch使用了AQS的共享模式，所以第一个节点被唤醒后又会唤醒第二个节点，以此类推，使得所有因await方法阻塞的线程都能被唤醒而继续执行。

从源代码和实现原理中可以看出一个CountDownLatch对象，只能使用一次，不能重复使用。

await方法源码

public void await() throws InterruptedException {
 sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
 
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
  throws InterruptedException {
 if (Thread.interrupted())
  throw new InterruptedException();
 if (tryAcquireShared(arg) < 0)
  doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
 
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

doAcquireSharedInterruptibly 主要实现线程的入列与阻塞。

countDown方法

public void countDown() {
 sync.releaseShared(1);
}
 
public final boolean releaseShared(int arg) {
 if (tryReleaseShared(arg)) {
  doReleaseShared();
  return true;
 }
 return false;
}
 
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;
 }
}

doReleaseShared主要实现唤醒第一个节点，第一个节点有会唤醒第二个节点，……。

2. 使用示例

package demo; 
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors; 
public class CountDownLatchDemo { 
 private CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(2); 
 private Random rnd = new Random();
 
 class FirstTask implements Runnable{
 private String id;
 
 public FirstTask(String id){
 this.id = id;
 }
 
 @Override
 public void run(){
 System.out.println("Thread "+ id + " is start");
 try {
 Thread.sleep(rnd.nextInt(1000));
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 System.out.println("Thread "+ id + " is over");
 cdl.countDown();
 }
 }
 
 class SecondTask implements Runnable{
 private String id;
 
 public SecondTask(String id){
 this.id = id;
 }
 
 @Override
 public void run(){
 try {
 cdl.await();
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 System.out.println("----------Thread "+ id + " is start");
 try {
 Thread.sleep(rnd.nextInt(1000));
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 System.out.println("----------Thread "+ id + " is over");
 }
 }
 
 public static void main(String[] args){
 ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
 CountDownLatchDemo cdld = new CountDownLatchDemo();
 es.submit(cdld.new SecondTask("c"));
 es.submit(cdld.new SecondTask("d"));
 es.submit(cdld.new FirstTask("a"));
 es.submit(cdld.new FirstTask("b"));
 es.shutdown();
 } 
}

在这个示例中，我们创建了四个线程a、b、c、d，这四个线程几乎同时提交给了线程池。c线程和d线程会在a线程和b线程结束后开始执行。

运行结果

Thread a is start
Thread b is start
Thread b is over
Thread a is over
----------Thread c is start
----------Thread d is start
----------Thread d is over
----------Thread c is over

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持自学编程网。如有错误或未考虑完全的地方，望不吝赐教。

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