CountDownLatch 概述及使用方式

本篇文章想要講解 JUC 工具類 CountDownLatch，因為 CountDownLatch 提供了簡單有效的線程協(xié)調(diào)和控制機制，所以實際開發(fā)中是比較常用的，所以有必要了解一下 CountDownLatch。

初識 CountDownLatch

CountDownLatch 作為 Java 中的一個同步工具類，用于在多線程間實現(xiàn)協(xié)調(diào)和控制，允許一個或多個線程等待其他線程完成操作后再繼續(xù)執(zhí)行。

CountDownLatch 內(nèi)部維護(hù)了一個計數(shù)器，可以通過構(gòu)造函數(shù)指定初始計數(shù)值。當(dāng)一個線程完成了自己的任務(wù)后，可以調(diào)用 countDown() 方法將計數(shù)值減一。而其他線程可以通過調(diào)用 await() 方法等待計數(shù)值減為零，然后再繼續(xù)執(zhí)行。

一般情況下，主線程會創(chuàng)建 CountDownLatch 對象，然后傳遞給其他線程。其他線程執(zhí)行完自己的任務(wù)后，調(diào)用 countDown() 方法進(jìn)行計數(shù)，主線程調(diào)用 await() 方法等待計數(shù)值為零。

CountDownLatch 的核心方法

CountDownLatch 提供了四個核心方法來實現(xiàn)線程的協(xié)調(diào)和控制，核心方法如下：

public CountDownLatch(int count)

CountDownLatch 的構(gòu)造方法，用于創(chuàng)建一個 CountDownLatch 對象，并指定初始計數(shù)值（計數(shù)值表示需要等待的線程數(shù)量）。

public void countDown()

當(dāng)一個線程完成任務(wù)后，可以調(diào)用該方法將計數(shù)器的值減一（如果計數(shù)器的值已經(jīng)為零，那么調(diào)用該方法沒有任何影響，即計數(shù)器的值不會再減，而是一直為零）。

public void await()

• 當(dāng)一個線程需要等待其他線程完成任務(wù)后再繼續(xù)執(zhí)行時，可以調(diào)用該方法進(jìn)行等待（如果計數(shù)器的值已經(jīng)為零，那么調(diào)用該方法會立即返回）。
• 如果在等待過程中，當(dāng)前線程被中斷，則會拋出 InterruptedException 異常。
• 需要注意的是調(diào)用該方法時，計數(shù)器的值應(yīng)當(dāng)在所有線程都能夠完成任務(wù)后變?yōu)榱?，否則可能導(dǎo)致線程一直等待或提前繼續(xù)執(zhí)行的問題。

public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)

• 與 await() 方法作用一樣都能使當(dāng)前線程等待，不同點在于允許設(shè)置超時時間（即如果計數(shù)器的值在超時時間內(nèi)變?yōu)榱?，那么方法會返?true，否則返回 false）。
• 參數(shù)中的 timeout 表示超時時間的數(shù)值，unit 表示超時時間的單位。
• 如果在等待過程中，當(dāng)前線程被中斷，則會拋出 InterruptedException 異常。

CountDownLatch 的應(yīng)用場景

通過上面的介紹，應(yīng)該能了解到 CountDownLatch 是什么以及如何使用，接下來通過具體的應(yīng)用場景來看看 CountDownLatch 都可以在實際開發(fā)中起到怎樣的作用。

應(yīng)用場景一：等待多個線程任務(wù)執(zhí)行完成

場景：如果需要等待多個線程執(zhí)行完成后，才能進(jìn)行下一步操作，就可以使用 CountDownLatch 來實現(xiàn)。通過創(chuàng)建一個 CountDownLatch 對象，并將計數(shù)器的值初始化為線程數(shù)（任務(wù)數(shù)），每個線程執(zhí)行完成后，調(diào)用 countDown() 方法將計數(shù)器減一，主線程通過調(diào)用 await() 方法等待所有線程執(zhí)行完成后執(zhí)行下一步操作。

示例：有一個主線程需要等待五個子任務(wù)（線程）都完成后再進(jìn)行后續(xù)操作（匯總子任務(wù)的結(jié)果）。

示例代碼：

/**
 * CountDownLatch 示例
 * @author 單程車票
 */
public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 任務(wù)數(shù)為5
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            int task = i;
            // 創(chuàng)建線程
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println("執(zhí)行任務(wù)" + task + "業(yè)務(wù)");
                    try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1);  } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        // 阻塞直到所有任務(wù)執(zhí)行完成或超出超時時間（30min）
        try {
            countDownLatch.await(30, TimeUnit.MINUTES);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("子線程任務(wù)完成，主線程合并子線程結(jié)果");
    }
}

示例結(jié)果：

應(yīng)用場景二：等待外部資源初始化

場景：當(dāng)多個線程在執(zhí)行前需要初始化某個系統(tǒng)組件或外部資源（如數(shù)據(jù)庫連接池）時，可以使用 CountDownLatch 實現(xiàn)。通過主線程創(chuàng)建 CountDownLatch 對象，設(shè)定計數(shù)值為 1。初始化線程在完成資源初始化后調(diào)用 countDown() 方法，然后其他線程通過 await() 方法等待初始化完成后再開始使用資源。

示例：有三個線程等待外部資源初始化線程執(zhí)行完成后再執(zhí)行各自線程的業(yè)務(wù)。

示例代碼：

/**
 * CountDownLatch 示例
 * @author 單程車票
 */
public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始計數(shù)值為1
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        // 三個線程等待外部資源線程初始化后在執(zhí)行
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            int task = i;
            // 創(chuàng)建線程
            new Thread(() -> {
                // 阻塞直到外部資源初始化完成
                try {
                    countDownLatch.await(30, TimeUnit.MINUTES);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("外部資源初始化完成，執(zhí)行任務(wù)" + task + "業(yè)務(wù)");
            }).start();
        }
        // 創(chuàng)建線程進(jìn)行外部資源初始化
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println("初始化外部資源");
                try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1);  } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
            } finally {
                countDownLatch.countDown();
            }
        }).start();
    }
}

示例結(jié)果：

應(yīng)用場景三：控制線程執(zhí)行順序

場景：當(dāng)需要保證多個線程按照特定的順序執(zhí)行時，可以通過 CountDownLatch 實現(xiàn)。主線程可以根據(jù)特定執(zhí)行順序創(chuàng)建多個 CountDownLatch 對象對應(yīng)多個線程，每個 CountDownLatch 對象的初始計數(shù)值都為 1，保證某一時刻只有指定順序的線程執(zhí)行，執(zhí)行完成后，調(diào)用下一個 CountDownLatch 對象的 countDown() 方法喚醒下一個指定順序線程執(zhí)行。

示例：有三個線程，需要按照 3 1 2 的順序依次執(zhí)行各自線程的業(yè)務(wù)。

示例代碼：

/**
 * CountDownLatch 示例
 * @author 單程車票
 */
public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始計數(shù)值為1
        CountDownLatch order1 = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch order2 = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch order3 = new CountDownLatch(1);
        // 三個線程按照 3 1 2 的順序執(zhí)行
        order3.countDown();  // 開啟多個線程順序執(zhí)行
        // 創(chuàng)建線程1
        new Thread(() -> {
            // 阻塞直到線程3完成
            try {
                order1.await(30, TimeUnit.MINUTES);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                System.out.println("執(zhí)行任務(wù) 1 的業(yè)務(wù)");
            } finally {
                order2.countDown();
            }
        }).start();
        // 創(chuàng)建線程2
        new Thread(() -> {
            // 阻塞直到線程1完成
            try {
                order2.await(30, TimeUnit.MINUTES);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("執(zhí)行任務(wù) 2 的業(yè)務(wù)");
        }).start();
        // 創(chuàng)建線程3
        new Thread(() -> {
            // 阻塞直到主線程開啟順序執(zhí)行
            try {
                order3.await(30, TimeUnit.MINUTES);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                System.out.println("執(zhí)行任務(wù) 3 的業(yè)務(wù)");
            } finally {
                order1.countDown();
            }
        }).start();
    }
}

示例結(jié)果：

CountDownLatch 的源碼分析

通過前兩部分的內(nèi)容可以了解到 CountDownLatch 的使用方式和應(yīng)用場景了，可以看到 CountDownLatch 最為核心的兩個方法是 countDown() 和 await()。接下來通過源碼分析來看看這兩個方法是如何實現(xiàn)的。

通過源碼可以看到 CountDownLatch 其實是基于 AQS 實現(xiàn)的（想進(jìn)一步了解 AQS 的，可以查看深入理解AbstractQueuedSynchronizer）， CountDownLatch 內(nèi)部通過一個靜態(tài)內(nèi)部類 Sync 繼承 AQS 來實現(xiàn)構(gòu)建同步鎖。下面從 countDown() 和 await() 這兩個方法開始進(jìn)行源碼分析。

核心方法一：await()

await() 源碼：

可以看到 await() 方法中調(diào)用了 Sync 的 acquireSharedInterruptibly() 方法，但是 Sync 中并沒有實現(xiàn)該方法，所以實際上調(diào)用的是 AQS 中的 acquireSharedInterruptibly() 方法，進(jìn)入方法：

方法中先判斷線程是否被中斷，如果被中斷則拋出 InterruptedException 異常，通過調(diào)用 tryAcquireShared() 方法嘗試搶占共享鎖，這個方法是 AQS 的抽象方法由子類實現(xiàn)，這里實際上調(diào)用的就是 Sync 的 tryAcquireShared() 方法，進(jìn)入方法：

該方法調(diào)用 getState() 方法獲取當(dāng)前計數(shù)器的值，并判斷是否為 0，若為 0 則返回 1，不為 0 則返回 -1?；氐缴厦娴?tryAcquireShared() 中可以看到當(dāng)計數(shù)器的值為 0 時則不需要進(jìn)入等待隊列，當(dāng)計數(shù)器的值不為 0 時，則調(diào)用 doAcquireSharedInterruptibly()）。進(jìn)入方法：

深入方法代碼可以分為以下幾步：

1.首先通過 addWaiter() 構(gòu)建一個共享模式的 Node 并加入等待隊列。

2.然后通過無限循環(huán)，判斷當(dāng)前節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點是否是頭節(jié)點（前驅(qū)節(jié)點為頭節(jié)點表示意味著具有嘗試資源獲取的機會）

• 前驅(qū)節(jié)點是頭節(jié)點，則不斷地嘗試獲取資源（即調(diào)用 tryAcquireShared() 這個方法前面有提到，用于判斷計數(shù)器的值是否為 0），計數(shù)值為 0，則表示獲取資源成功，即線程可以運行，所以執(zhí)行 setHeadAndPropagate() 將當(dāng)前節(jié)點設(shè)置為新的頭結(jié)點，并設(shè)置 p.next=null 等待 GC 回收。
• 前驅(qū)結(jié)點不是頭節(jié)點，則執(zhí)行 shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt() 根據(jù)一定條件判斷線程是否應(yīng)該被阻塞并檢查是否發(fā)生中斷，等待后續(xù)喚醒。

3.最后的 finally 通過標(biāo)志 failed （表示是否獲取資源失?。?，如果為 true，則執(zhí)行 cancelAcquire() 方法取消對資源的獲取，并移出等待隊列。

所以這個方法核心為通過無限循環(huán)不斷地嘗試獲取共享資源，獲取成功則將當(dāng)前節(jié)點設(shè)置為頭結(jié)點，獲取失敗則判斷是否需要阻塞并檢查是否被中斷，如果最后獲取失敗，則放棄獲取資源并移出等待隊列。

到這里就是 await() 方法的整個實現(xiàn)流程了，底層通過調(diào)用 AQS 的 doAcquireSharedInterruptibly() 方法以及 CountDownLatch 實現(xiàn) AQS 的抽象方法 tryAcquireShared() 實現(xiàn)線程阻塞和喚醒。

核心方法二：countDown()

countDown() 源碼：

可以看到 countDown() 方法中調(diào)用了 Sync 的 releaseShared() 方法，但是 Sync 中并沒有實現(xiàn)該方法，所以實際上調(diào)用的是 AQS 中的 releaseShared() 方法，進(jìn)入方法：

方法中調(diào)用 Sync 實現(xiàn) AQS 的抽象方法 tryReleaseShared() 來進(jìn)行判斷，進(jìn)入方法：

方法中判斷當(dāng)前計數(shù)器值是否為 0，是則返回 false 不做任何操作，也就是當(dāng)計數(shù)器值為 0 時調(diào)用 CountDownLatch() 方法不會做任何操作。不是 0 則進(jìn)行計數(shù)器值減一，并通過 CAS 操作更新計數(shù)器值，如果更新后的值為 0，則調(diào)用 AQS 內(nèi)部的 doReleaseShared() 方法釋放共享資源，否則除了更新計數(shù)器值之外不做任何操作。進(jìn)入 doReleaseShared() 方法：

doReleaseShared() 方法的目的是在釋放共享資源時，確保喚醒等待的線程，并通過循環(huán)和 CAS 操作來處理并發(fā)情況和頭節(jié)點的變化。

到這里就是 countDown() 方法的整個實現(xiàn)過程了，底層通過 CountDownLatch 實現(xiàn) AQS 的抽象方法 tryReleaseShared() 采用 CAS 來完成計數(shù)器減一，并通過 AQS 的內(nèi)部方法 doReleaseShared() 實現(xiàn)釋放資源。

以上就是深入理解Java中的并發(fā)工具類CountDownLatch的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java并發(fā)工具類CountDownLatch的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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