并发工具类—— CountDownLatch

概述

前段时间在解决请求风控服务器超时的问题时,涉及到到一个CountDownLunch的并发工具类,非常实用,顺记自然就去研究了一下相关的并发工具类。
在JDK的并发包里(java.util.concurrent)提供了这样几个非常有用的并发工具类来解决并发编程的流程控制。分别是CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore。

1. CountDownLatch

1.1 CountDownLatch是什么?

CountDownLatch打多是被用在等待多线程完成,具体来说就是允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

1.2 CountDownLatch原理?

API 文档有这样一盒解释

A CountDownLatch is a versatile synchronization tool and can be used for a number of purposes. A CountDownLatch initialized with a count of one serves as a simple on/off latch, or gate: all threads invoking await wait at the gate until it is opened by a thread invoking countDown(). A CountDownLatch initialized to N can be used to make one thread wait until N threads have completed some action, or some action has been completed N times.

构造函数

//Constructs a CountDownLatch initialized with the given count.
public void CountDownLatch(int count) {...}

在 CountDownLunch启动的时候。主线程必须在启动其他线程后立即调用CountDownLatch.await()方法。这样主线程的操作就会在这个方法上阻塞,直到其他线程完成各自的任务。

public void countDown()

在每次任务执行完直接调用,计数器就会减一操作。

public boolean await(long timeout,TimeUnit unit) throws InterruptedException
public void await() throws InterruptedException

这个方法就是用来堵塞主线程的,前者是有等待时间的,可以自定义,后者是无限等待,知道其他count 计数器为0为止。

并发工具类—— CountDownLatch_第1张图片
看图可能一下子明白

详细的 demo 就不在这里粘贴了
如有需要 传送门

1.3 使用场景

超时机制

主线程里面设置好等待时间,如果发现在规定时间内还是没有返回结果,那就唤醒主线程,抛弃。

开始执行前等待n个线程完成各自任务

例如应用程序启动类要确保在处理用户请求前,所有N个外部系统已经启动和运行了。

死锁检测

一个非常方便的使用场景是,你可以使用n个线程访问共享资源,在每次测试阶段的线程数目是不同的,并尝试产生死锁。
若有不正之处请多多谅解,并欢迎各位大牛批评指正。

1.4 深入源码

这里面我简单的研究了一下CountDownLunch 源码。
底层是由AbstractQueuedSynchronizer提供支持(后面就简称 AQS),所以其数据结构就是AQS的数据结构,而AQS的核心就是两个虚拟队列:同步队列syncQueue 和条件队列conditionQueue(前者数据结构是双向链表,后者是单向链表)不同的条件会有不同的条件队列。
本省CountDownLunch继承的是 Object,比较简单,但是存在内部类,Sync,继承自AbstractQueuedSynchronizer,我简单理解一下

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 版本号
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
        
        // 构造器
        Sync(int count) {
            setState(count);
        }
   
        // 返回当前计数
        int getCount() {
            return getState();
        }

        // 试图在共享模式下获取对象状态
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }

        // 试图设置状态来反映共享模式下的一个释放
        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // Decrement count; signal when transition to zero
            // 无限循环
            for (;;) {
                // 获取状态
                int c = getState();
                if (c == 0) // 没有被线程占有
                    return false;
                // 下一个状态
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc)) // 比较并且设置成功
                    return nextc == 0;
            }
        }
    }

1.4.1核心函数分析

  • await函数
    此函数将会使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待,除非线程被中断。其源码如下
public void await() throws InterruptedException{
      // 转发到sync对象上 
      sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

源码可知,对CountDownLatch对象的await的调用会转发为对Sync的acquireSharedInterruptibly(从AQS继承的方法)方法的调用。

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

这里先检测了线程中断状态,中断了则抛出异常,接下来调用tryAcquireShared,tryAcquireShared是Syn的实现的

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

其实就是简单的获取了同步器的state,判断是否为0.
接下来是

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    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);
        }
    }

关键点 我看到的是
parkAndCheckInterrupt()

  private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
 }

执行到此处时,线程会阻塞,知道有其他线程唤醒此线程,执行await之后,上文中的主线程阻塞在这。


并发工具类—— CountDownLatch_第2张图片
整个调用链路如下
  • countDown函数
    此函数将递减锁存器的计数,如果计数到达零,则释放所有等待的线程
void countDown() { 
    sync.releaseShared(1);
}

可以看出 对countDown的调用转换为对Sync对象的releaseShared(从AQS继承而来)方法的调用。
这里面的具体原理能力有限,有点看不懂,CAS相关的东西。

1.5 小结

不得不说countdownlatch是一个很高的线程控制工具,极大的方便了我们开发。由于知识能力有限,上面是自己的一点见识,有什么错误还望提出,便于我及时改进。

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