多线程与高并发——并发编程（7）

七、JUC并发工具

1 CountDownLatch应用&源码分析

1.1 CountDownLatch介绍

• CountDownLatch 就是 JUC 包下的一个工具，整个工具最核心的功能就是计数器。
• 假设，有三个业务需要并行处理，并且需要知道三个业务全部都处理完毕了，以及需要一个并发安全的计数器来操作，那么 CountDownLatch 就可以实现。给 CountDownLatch 设置一个数值 3，每个业务处理完毕之后，执行 countDown 方法，指定的 3 在每次执行 countDown 方法时，对 3 进行 -1。主线程可以在业务处理时，执行 await 方法，主线程会阻塞等待任务处理完毕。当设置的 3 基于 countDown 方法减到 0 之后，主线程就会被唤醒，继续处理后续业务。

• 当咱们得业务中，出现 2 个以上允许并行处理的任务，并且需要在任务都处理完毕之后，再做其他处理时，可以采用 CountDownLatch 去实现这个功能。

1.2 CountDownLatch应用

• 模拟三个任务需要并行处理，在三个任务全部处理完毕后，再执行后续操作。CountDownLatch 中，执行 countDown 方法，代表一个任务结束，对计数器 -1；执行 await 方法，代表等待计数器变为 0 时，再继续执行；执行 await(time,unit) 代表等待 time 时长，如果计数器不为 0，返回 false，如果在等待期间，计数器为 0，方法返回 true。

static ThreadPoolExecutor executor = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(3);

static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    System.out.println("主业务开始执行");
    sleep(1000);
    executor.execute(CompanyTest::a);
    executor.execute(CompanyTest::b);
    executor.execute(CompanyTest::c);
    System.out.println("三个任务并行执行,主业务线程等待");
    // 死等任务结束
    // countDownLatch.await();
    // 如果在规定时间内，任务没有结束，返回false
    if (countDownLatch.await(10, TimeUnit.SECONDS)) {
        System.out.println("三个任务处理完毕，主业务线程继续执行");
    }else{
        System.out.println("三个任务没有全部处理完毕，执行其他的操作");
    }
}

private static void a() {
    System.out.println("A任务开始");
    sleep(1000);
    System.out.println("A任务结束");
    countDownLatch.countDown();
}
private static void b() {
    System.out.println("B任务开始");
    sleep(1500);
    System.out.println("B任务结束");
    countDownLatch.countDown();
}
private static void c() {
    System.out.println("C任务开始");
    sleep(2000);
    System.out.println("C任务结束");
    countDownLatch.countDown();
}

private static void sleep(long timeout){
    try {
        Thread.sleep(timeout);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

1.3 CountDownLatch源码分析

• CountDownLatch 就是一个计数器，没有什么特殊功能，查看源码也只是查看计数器实现的方式。
• 发现 CountDownLatch 的内部类 Sync 继承了 AQS，CountDownLatch 就是基于 AQS 实现的计数器。而 AQS 就是一个 state 属性，以及 AQS 双向链表，所以猜测计数器的数值实现就是基于 state 实现的，主线程阻塞的方式，也是阻塞在了 AQS 的双向链表中。

1.3.1 有参构造

• 就是构造内部类 Sync，并且给 AQS 的 state 赋值

// CountDownLatch的有参构造
public CountDownLatch(int count) {
    // 健壮性校验
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    // 构建内部类，Sync传入count
    this.sync = new Sync(count);
}
// AQS子类，Sync的有参构造
Sync(int count) {
    // 就是给AQS中的state赋值
    setState(count);
}

1.3.2 await 方法

• await 方法就是判断当前 CountDownLatch 中的 state 是否为 0，如果为 0，直接正常执行后续任务；如果不为 0，以共享锁的方式，插入到 AQS 的双向链表中，并且挂起线程。

// 一般主线程await的方法，阻塞主线程，等待state为0
public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// 执行了AQS的acquireSharedInterruptibly方法
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 判断线程是否中断，如果中断标记位是true，直接抛出异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        // 共享锁挂起的操作
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
// tryAcquireShared在CountDownLatch中的实现
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    // 查看state是否为0，如果为0，返回1，不为0，返回-1
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 封装当前先成为Node，属性为共享锁
    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;
                }
            }
            // 在这，就需要挂起当前线程。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

1.3.3 countDown方法

• countDown 方法本质就是对 state -1，如果 state -1后变为 0，需要去 AQS 的链表中唤醒挂起的节点。

// countDown对计数器-1
public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);	// 是-1
}
// AQS提供的功能
public final boolean releaseShared(int arg) {
    // 对state - 1
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        // state - 1后，变为0，执行doReleaseShared
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}
// CountDownLatch的tryReleaseShared实现
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // 死循环是为了避免CAS并发问题
    for (;;) {
        int c = getState();		// 获取state
        if (c == 0)				// state已经为0，直接返回false
            return false;
        int nextc = c-1;		// 对获取到的state - 1
        // 基于CAS的方式，将值赋值给state
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            // 赋值完，发现state为0了。此时可能会有线程在await方法处挂起，那边挂起，需要这边唤醒
            return nextc == 0;
    }
}

// 如何唤醒在await方法处挂起的线程
private void doReleaseShared() {
    for (;;) {	// 死循环
        Node h = head;	// 拿到head
        // head不为null，有值，并且head != tail，代表至少2个节点
        // 一个虚拟的head，加上一个实质性的Node
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;	// 说明AQS队列中有节点
            if (ws == Node.SIGNAL) {// 如果head节点的状态为 -1
                // 先对head节点将状态从-1，修改为0，避免重复唤醒的情况
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;  
                // 正常唤醒节点即可，先看head.next,能唤醒就唤醒，如果head.next有问题，从后往前找有效节点
                unparkSuccessor(h);
            }
            // 会在Semaphore中谈到这个位置
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;  
        }
        // 会在Semaphore中谈到这个位置
        if (h == head)  
            break;
    }
}

2 CyclicBarrier应用&源码分析

2.1 CyclicBarrier介绍

从名字上来看 CyclicBarrier，就是代表循环屏障。

• Barrier屏障：让一个或多个线程到达一个屏障点，会被阻塞。屏障点会有一个数值，当到达一个线程阻塞在屏障点时，就会对屏障点的数值进行 -1 操作。当屏障点的数值减到 0 时，屏障就会打开，唤醒所有阻塞在屏障点的线程。在释放屏障点之后，可以先执行一个任务，再让所有阻塞被唤醒的线程继续之后后续任务。
• Cyclic循环：所有线程被释放后，屏障点的数值可以再次被重置。

CyclicBarrier 一般被称为栅栏，是一种同步机制，允许一组线程相互等待。线程达到屏障点其实是基于 await 方法在屏障点阻塞。

CyclicBarrier 并没有基于 AQS 实现，它是基于 ReentrantLock 锁机制实现了对屏障点的 --，以及线程挂起的操作。（CountDownLatch本身是基于 AQS，对 state 进行 release 操作后，可以 -1）

CyclicBarrier 每来一个线程执行 await 方法，都会对屏障数值 -1 操作，每次 -1 后，立即查看数值是否为 0。如果为 0，直接唤醒所有的相互等待的线程。

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 区别？

• 底层实现不同：CyclicBarrier 基于 ReentrantLock 实现，CountDownLatch 直接基于 AQS 实现。
• 应用场景不同：CountDownLatch 的计数器只能使用一次，而 CyclicBarrier 在计数器达到 0 之后，可以重置计数器。CyclicBarrier 可以实现相比 CountDownLatch 更复杂的业务，执行业务时出现错误，可以充值 CyclicBarrier 计数器，再执行一次。
• CyclicBarrier 还提供了很多其他功能：
  • 可以获取到阻塞的线程有多少；
  • 在线程相互等待是，如果等待的线程中断，可以抛异常，避免无限等待的问题。
• CountDownLatch 一般是让主线程等待，让子线程对计数器 --。CyclicBarrier 更多的是让子线程一起技术和等待，等待的线程达到数值后，再统一唤醒。
• CyclicBarrier 多个线程相互等待，直到达到同一个同步点，再一起执行。

2.2 CyclicBarrier应用

举个：出国旅游

导游小姐姐需要等待所有乘客都到位后，发护照、签证等文件，再一起出发。

比如 Tom、Jack、Rose 三个人组团出门旅游

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3,() -> {
        System.out.println("等到各位大佬都到位之后，分发护照和签证等内容！");
    });

    new Thread(() -> {
        System.out.println("Tom到位！！！");
        try {
            barrier.await();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("悲剧，人没到齐！");
            return;
        }
        System.out.println("Tom出发！！！");
    }).start();
    Thread.sleep(100);
    new Thread(() -> {
        System.out.println("Jack到位！！！");
        try {
            barrier.await();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("悲剧，人没到齐！");
            return;
        }
        System.out.println("Jack出发！！！");
    }).start();
    Thread.sleep(100);
    new Thread(() -> {
        System.out.println("Rose到位！！！");
        try {
            barrier.await();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("悲剧，人没到齐！");
            return;
        }
        System.out.println("Rose出发！！！");
    }).start();
    /*
    tom到位，jack到位，rose到位
    导游发签证
    tom出发，jack出发，rose出发
     */

}

• 在构建 CyclicBarrier 时可以选择性指定 barrierAction，如果指定了，那么会在 barrier 归为 0 后，优先执行 barrierAction 任务，然后再去唤醒所有阻塞挂起的线程，并行去处理后续任务。
• 所有相互等待的线程，可以指定等待时间，并且再等待过程中，如果有线程中断，所有相互等待的线程都会被唤醒。
• 如果在等待期间，有线程终端了，唤醒所有线程后，CyclicBarrier 无法继续使用。如果需要继续使用当前 CyclicBarrier，需要调用 reset 方法，让 CyclicBarrier 重置。
• 如果 CyclicBarrier 的屏障数值达到 0 之后，会默认重置屏障数值，CyclicBarrier 在没有线程中断时，是可以重复使用的。

2.3 CyclicBarrier源码分析

• 分成两块内容去查看，首先查看 CyclicBarrier 的一些核心属性，然后再去查看 CyclicBarrier 的核心方法。

2.3.1 CyclicBarrier的核心属性

public class CyclicBarrier {
   
    // 这个静态内部类是用来标记是否中断的
    private static class Generation {
   
        boolean broken = false;
    }
	// CyclicBarrier是基于ReentrantLock实现的互斥操作，以及计数原子性操作
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 基于当前的Condition实现线程的挂起和唤醒
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    // 记录有参构造出入的屏障数值，不会对这个数值做操作
    private final int parties;
    // 当屏障数值达到0之后，优先执行当前任务
    private final Runnable barrierCommand;
    // 初始化默认的Generation，用来标记线程中断情况
    private Generation generation = new Generation()