深入理解 JUC:CountDownLatch

CountDownLatch 是一个同步辅助工具,用于阻塞当前一个或多个线程以等待其它线程中的操作完成。在构造 CountDownLatch 对象时,我们需要指定一个非负的 count 值,一般情况下,调用 CountDownLatch#await 方法的线程需要阻塞等待该 count 值变为 0 时才能够继续往下执行。具体示例可以参考 理清 CountDownLatch 与 CyclicBarrier 的区别

CountDownLatch 实现内幕

CountDownLatch 在实现上同样依赖于 AQS 组件,在 CountDownLatch 的内部定义了一个 Sync 内部类,该类继承自 AbstractQueuedSynchronizer,并复用 AQS 的 state 字段来记录 count 值的变化。CountDownLatch 的核心方法均委托 Sync 进行处理,如下:

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public class CountDownLatch {

private final Sync sync;

public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) {
throw new IllegalArgumentException("count < 0");
}
this.sync = new Sync(count);
}

public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

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

public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}

public long getCount() {
return sync.getCount();
}

}

下面我们主要分析一下 CountDownLatch#awaitCountDownLatch#countDown 方法的实现机制。

首先来看一下 CountDownLatch#await 方法,该方法用于阻塞当前线程,直到 count 值变为 0,或者被其它线程中断。具体实现上,CountDownLatch 直接将请求委托给 AQS 的 AbstractQueuedSynchronizer#acquireSharedInterruptibly 方法进行处理,所以我们下面主要来看一下 CountDownLatch 针对模板方法 AbstractQueuedSynchronizer#tryAcquireShared 的实现,如下:

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

实现上非常简单,获取并判定状态值是否为 0,如果是则说明当前线程获取资源成功,能够继续往下执行,否则说明当前线程获取资源失败,需要被添加到同步队列阻塞等待。CountDownLatch 还为 CountDownLatch#await 方法定义了超时版本 CountDownLatch#await(long, TimeUnit)

继续来看一下 CountDownLatch#countDown 方法,该方法用于将 count 值减 1,如果发现 count 值变为 0,则唤醒阻塞等待的线程。具体实现上,CountDownLatch 同样直接将请求委托给 AQS 的 AbstractQueuedSynchronizer#releaseShared 方法进行处理,所以我们下面主要来看一下 CountDownLatch 针对模板方法 AbstractQueuedSynchronizer#tryReleaseShared 的实现,如下:

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protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (; ; ) {
// 获取 state 状态值
int c = getState();
// 如果已经为 0 则说明没有资源可以释放,直接返回 false,避免 state 变为负值
if (c == 0) {
return false;
}
// 资源数减 1
int nextc = c - 1;
if (compareAndSetState(c, nextc)) {
// 如果为 0,则说明资源全部释放完毕,此时需要唤醒等待的线程
return nextc == 0;
}
}
}

具体实现如代码注释,比较简单。需要注意的一点就是上面步骤中的判 0 操作,刚开始看的时候可能觉得有点多余,但是这一步的主要作用在于保证 state 值不会变为负值。当前 count 值变为 0 时,上述方法会返回 true,接下去 AQS 会执行唤醒之前因为 count 值不为 0 而被打入同步队列的线程。

总结

CountDownLatch 的实现机制到此就分析完了,因为依赖于 AQS,所以 CountDownLatch 在实现上变得十分简单,但是功能却很强大。下一篇我们将要分析与 CountDownLatch 极为容易混淆的 CyclicBarrier 组件,从实现层面去理清二者的异同。

参考

  1. JDK 1.8 源码
  2. The java.util.concurrent Synchronizer Framework

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