java并发之计数器CountDownLatch原理

CountDownLatch简介

CountDownLatch顾名思义，count + down + latch ＝ 计数 ＋ 减 ＋ 门闩（这么拆分也是便于记忆=_=） 可以理解这个东西就是个计数器，只能减不能加，同时它还有个门闩的作用，当计数器不为0时，门闩是锁着的；当计数器减到0时，门闩就打开了。
如果你感到懵比的话，可以类比考生考试交卷，考生交一份试卷，计数器就减一。直到考生都交了试卷（计数器为0），监考老师（一个或多个）才能离开考场。至于考生是否做完试卷，监考老师并不关注。只要都交了试卷，他就可以做接下来的工作了。

CountDownLatch实现原理

下面从构造方法开始，一步步解释实现的原理：

构造方法

下面是实现的源码，非常简短，主要是创建了一个Sync对象。

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

Sync对象

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
 
        Sync(int count) {
            setState(count);
        }
 
        int getCount() {
            return getState();
        }
 
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            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;
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }
    }
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假设我们是这样创建的：new CountDownLatch(5)。其实也就相当于new Sync(5)，相当于setState(5)。setState其实就是共享锁资源总数,我们可以暂时理解为设置一个计数器，当前计数器初始值为5。

tryAcquireShared方法其实就是判断一下当前计数器的值，是否为0了，如果为0的话返回1（返回1的时候，就表示获取锁成功,awit()方法就不再阻塞）。

tryReleaseShared方法就是利用CAS的方式，对计数器进行减一的操作，而我们实际上每次调用countDownLatch.countDown()方法的时候，最终都会调到这个方法，对计数器进行减一操作，一直减到0为止。

countDownLatch.await()

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

代码很简单，就一句话（注意acquireSharedInterruptibly（）方法是抽象类：AbstractQueuedSynchronizer的一个方法，我们上面提到的Sync继承了它），我们跟踪源码，继续往下看：

acquireSharedInterruptibly(int arg) 

 public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
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源码也是非常简单的，首先判断了一下，当前线程是否有被中断，如果没有的话，就调用tryAcquireShared(int acquires)方法，判断一下当前线程是否还需要“阻塞”。其实这里调用的tryAcquireShared方法，就是我们上面提到的java.util.concurrent.CountDownLatch.Sync.tryAcquireShared(int)这个方法。 当然，在一开始我们没有调用过countDownLatch.countDown()方法时，这里tryAcquireShared方法肯定是会返回-1的，因为会进入到doAcquireSharedInterruptibly方法。 

doAcquireSharedInterruptibly(int arg)

countDown()方法

// 计数器减1
public void countDown() {
    sync.releaseShared(1); 
}

//调用AQS的releaseShared方法
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {//计数器减一
        doReleaseShared();//唤醒后继结点,这个时候队列中可能只有调用过await()的线程节点,也可能队列为空
        return true;
    }
    return false;
}复制代码

这个时候，我们应该对于countDownLatch.await()方法是怎么“阻塞”当前线程的，已经非常明白了。其实说白了，就是当你调用了countDownLatch.await()方法后，你当前线程就会进入了一个死循环当中，在这个死循环里面，会不断的进行判断，通过调用tryAcquireShared方法，不断判断我们上面说的那个计数器，看看它的值是否为0了（为0的时候，其实就是我们调用了足够多 countDownLatch.countDown()方法的时候），如果是为0的话，tryAcquireShared就会返回1，代码也会进入到图中的红框部分，然后跳出了循环，也就不再“阻塞”当前线程了。需要注意的是，说是在不停的循环，其实也并非在不停的执行for循环里面的内容，因为在后面调用parkAndCheckInterrupt（）方法时，在这个方法里面是会调用 LockSupport.park(this);来挂起当前线程。    

CountDownLatch 使用的注意点：

1、只有当count为0时，await之后的程序才够执行。

2、countDown必须写在finally中，防止发生异程常时，导致程序死锁。

使用场景：

比如对于马拉松比赛，进行排名计算，参赛者的排名，肯定是跑完比赛之后，进行计算得出的，翻译成Java识别的预发，就是N个线程执行操作，主线程等到N个子线程执行完毕之后，在继续往下执行。

public static void testCountDownLatch(){
        
        int threadCount = 10;
        
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadCount);
        
        for(int i=0; i< threadCount; i++){
             
            new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {

                    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getId() + "开始出发");

                    try {
                        Thread.sleep(1000);
						System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getId() + "已到达终点");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } fianlly {
						 latch.countDown();
					}
                }
            }).start();
        }
        
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("10个线程已经执行完毕！开始计算排名");
    }
复制代码

结果:

线程10开始出发
线程13开始出发
线程12开始出发
线程11开始出发
线程14开始出发
线程15开始出发
线程16开始出发
线程17开始出发
线程18开始出发
线程19开始出发
线程14已到达终点
线程15已到达终点
线程13已到达终点
线程12已到达终点
线程10已到达终点
线程11已到达终点
线程16已到达终点
线程17已到达终点
线程18已到达终点
线程19已到达终点
10个线程已经执行完毕！开始计算排名
复制代码