java闭锁—CountDownLatch

前言

 

前文《java同步器--AQS》中提到，AQS是构建java.util.concurrent包中同步阻塞工具类的基础。这次来看下使用AQS实现的java闭锁—CountDownLatch，它可以阻塞一个或多个线程，以等待另一组事件的发生后，继续执行被阻塞的一个或多个线程。CountDownLatch的两个核心方法：调用await方法阻塞一个或多个线程；调用countDown方法，执行一组事件，每调用一次对“资源”数减1，当剩余“资源”数为0时，被阻塞的一个或多个线程同时被唤醒。这其实就是AQS的共享方式实现，在分析CountDownLatch实现原理之前，先来简单看看CountDownLatch的使用。

 

这有点类似游戏里组队玩游戏，假设游戏需要10个人，每个人加入游戏时都会被阻塞在开始界面，只有等人满后才能点击开始游戏。模拟代码如下：

 
/**
 * Created by gantianxing on 2018/1/3.
 */
public class CountDownLatchTest {
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        CountDownLatch playersCounter = new CountDownLatch(10);
        for (int i=0;i<10;i++){
            executorService.submit(new Player(playersCounter,i+""));
        }
 
        System.out.println("等待玩家加入游戏");
        //这里只模拟了一个线程阻塞，可以多线程调用await()阻塞
        playersCounter.await();
        System.out.println("游戏开始");
 
        executorService.shutdown();//关闭线程池
        System.out.println("游戏结束");
    }
}
 
//多线程操作线程不安全容器 ThreadSafe.datas
class Player implements Runnable{
    private CountDownLatch playersCounter;
    private String name;
 
    public Player(CountDownLatch playersCounter,String name) {
        this.playersCounter = playersCounter;
        this.name = name;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("玩家："+name+"加入游戏");
        playersCounter.countDown();//对剩余的游戏坑位减1
    }
}
 

 

执行上述main方法，可以发现只有等10个玩家都准备就绪后，游戏才能开始。可以发现使用CountDownLatch很简单，但我们不能仅仅停留在如何使用上，还应该更进一步了解其内部原理，以便再必要的时候创建自己的同步器。

 

CountDownLatch实现原理解析

 

在已经全面理解了AQS的前提下（见前一篇文章），再来看CountDownLatch内部实现，你会觉得非常简单。其内部核心实现就是，定义了一个实现了AQS的内部类Sync，AQS的公共资源状态字段state的值，就是初始化CountDownLatch(int count)的count值；调用CountDownLatch的await方法，会判断state的值是否变为0，如果不为0就阻塞该线程；调用CountDownLatch的countDown方法，没调用一次会对state减1，直到为0时，唤醒所有被阻塞的线程。

 

首先来看下内部类Sync的实现，AQS预留给子类实现的方法分为两类：排它和共享，排它 获取和释放方法分别为tryAcquir和tryRelease；共享 获取和释放方法分别为tryAcquireShared和tryReleaseShared。如果把CountDownLatch理解为锁的话，它属于共享锁的一种，因为所有阻塞的线程共享同一个开关，所以在CountDownLatch中Sync对AQS的实现，应该是共享实现，也就是说实现了tryAcquireShared和tryReleaseShared方法。我们来看下源码：

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
 
    Sync(int count) {
        setState(count);//设置AQS的队列状态state字段
    }
 
    int getCount() {
        return getState();
    }
 
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
              //判断AQS的队列状态state值是否变为0，如果不为0，阻塞该线程
        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;
                      //尝试对state字段减1
            int nextc = c-1;
            if (compareAndSetState(c, nextc))//CAS原子修改state值
                return nextc == 0;
        }
    }
}

主要的方法就是构造方法Sync(int count)、获取资源方法tryAcquireShared(int acquires)、释放资源方法tryReleaseShared(int releases)。这三个方法分别会被CountDownLatch调用：

 

CountDownLatch构造方法

CountDownLatch的构造方法会调用Sync的构造方法Sync(int count)，为AQS的state赋值；

public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);// 调用Sync的构造方法Sync(int count)
    }
 

 

CountDownLatch的await方法

CountDownLatch的await方法会调用Sync的tryAcquireShared方法，尝试获取锁，如果获取不到就阻塞；

public void await() throws InterruptedException {
        //AQS的acquireSharedInterruptibly方法内部会调用tryAcquireShared方法
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
 

 

CountDownLatch的countDown方法

CountDownLatch的countDown方法会调用Sync的tryReleaseShared方法释放资源，当state值变为0时，唤醒所有被阻塞的线程。

public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);//没调用一次，就会对AQS的state字段减1
}
 

 

另外CountDownLatch的await方法还有延迟版本：

public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

 

对应CountDownLatch的两个await方法，也许你已经注意到了 它们都会抛出InterruptedException异常，说明CountDownLatch实现的闭锁是可中断锁，调用线程的interrupt方法，可以中断阻塞的线程。

 

总结

 

 

简单的总结CountDownLatch闭锁就是：它实现了一个“共享锁”，可以阻塞一个或多个线程，以等待另一组事件的发生后，继续执行被阻塞的一个或多个线程。其核心实现就是基于AQS，另外CountDownLatch闭锁是“可中断锁”。