Java多线程并发控制工具CountDownLatch,实现原理及案例

闭锁(CountDownLatch)是Java多线程并发中的一种同步器,它是JDK内置的同步器。通过它可以定义一个倒计数器,当倒计数器的值大于0时,所有调用await方法的线程都会等待。而调用countDown方法则可以让倒计数器的值减一,当倒计数器值为0时所有等待的线程都将继续往下执行。

闭锁的主要应用场景是让某个或某些线程在某个运行节点上等待N个条件都满足后才让所有线程继续往下执行,其中倒计数器的值为N,每满足一个条件倒计数器就减一。比如下图中,倒计数器初始值为3,然后三个线程调用await方法后都在等待。随后倒计数器减一为2,再减一为1,最后减一为0,所有等待的线程都往下继续执行。

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三要素

闭锁的三要素为:倒计数器的初始值、await方法以及countdown方法。倒计数器的初始值在构建CountDownLatch对象时指定,它表示我们需要等待的条件个数。await方法能让线程进入等待状态,等待的条件是倒计数器的值大于0。countdown方法用于将倒计数器的值减一。

实现原理

先前介绍过如何基于AQS同步器实现一个自定义同步器,实际上CountdownLatch也是基于AQS来实现的,只要使用AQS的共享模式即可以轻松实现闭锁。

下面我们看详细的实现代码,CountdownLatch类的构造函数需要传入一个整型参数,表示倒计数器的初始值,对应着AQS的state状态变量。按照官方推荐的自定义同步器的做法,将继承了AQS类的子类Sync作为CountdownLatch类的内部类,而CountdownLatch同步器中相关的操作只需代理成子类中对应的方法即可。比如await方法和countDown方法分别调用Sync子类的acquireSharedInterruptibly方法和releaseShared方法。

Sync子类中需要我们实现的两个方法是tryAcquireShared和tryReleaseShared,分别用于获取共享锁和释放共享锁。先看获取共享锁的逻辑,如果状态变量等于0则返回1,当倒计数器的值减少到0的时候全部线程都可以直接尝试得到共享锁,而当倒计数器的值为非0时使之返回-1交给AQS进行入队管理。然后看释放共享锁的逻辑,主要是通过自旋来进行减一操作,getState方法获取状态变量,将其值减一后使用compareAndSetState方法进行CAS修改状态值。

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案例 1

第一个例子是创建一个CountdownLatch对象作为倒计数器,其值为2。然后线程一调用await方法进行等待,线程二调用countDown方法将倒计数器的值减一并往下执行。线程三再调用countDown方法将倒计数器的值再减一并往下执行,此时倒计数器的值为0,线程一停止等待并往下执行。

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下面的例子输出如下,thread1调用await方法后进入等待状态,thread2睡眠两秒后调用countDown方法并往下执行,thread3睡眠四秒后调用countDown方法并往下执行,最后thread1才停止等待继续往下执行。

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案例 2

第二个例子是创建一个CountdownLatch对象作为倒计数器,其值为2。然后线程一和线程二都分别调用await方法进行等待,线程三则调用两次countDown方法将倒计数器的值减二并往下执行,此时倒计数器的值为0,线程一和线程二停止等待并往下执行。

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下面的例子输出如下,thread1和thread2调用await方法后进入等待状态,然后主线程调用countDown方法后休眠两秒钟。此时的倒计数器值为1,所以thread1和thread2继续等待,直到主线程休眠结束后再次调用countDown方法后,thread1和thread2才能继续往下执行。

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总结

CountDownLatch中文名为闭锁,是JDK内置的一个同步器,它通过倒计数器的值来控制多线程并发。它主要由倒计数器的初始值、await操作和countdown操作。内部的实现是基于AQS同步器,并且我们提供了两个例子让大家了解闭锁的使用场景和使用方法。

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