Java并发编程之CountDownLatch源码解析

一、导语

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最近在学习并发编程原理，所以准备整理一下自己学到的知识，先写一篇CountDownLatch的源码分析，之后希望可以慢慢写完整个并发编程。

二、什么是CountDownLatch

CountDownLatch是java的JUC并发包里的一个工具类，可以理解为一个倒计时器，主要是用来控制多个线程之间的通信。
比如有一个主线程A，它要等待其他4个子线程执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

三、简单使用

public static void main(String[] args){
    System.out.println("主线程和他的两个小兄弟约好去吃火锅");
    System.out.println("主线程进入了饭店");
    System.out.println("主线程想要开始动筷子吃饭");
    //new一个计数器，初始值为2，当计数器为0时，主线程开始执行
    CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

     new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                    System.out.println("子线程1——小兄弟A 正在到饭店的路上");
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("子线程1——小兄弟A 到饭店了");
            //一个小兄弟到了，计数器-1
                    latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();

     new Thread(){
             public void run() {
                 try {
                    System.out.println("子线程2——小兄弟B 正在到饭店的路上");
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("子线程2——小兄弟B 到饭店了");
            //另一个小兄弟到了，计数器-1
                    latch.countDown();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
             };
         }.start();

    //主线程等待，直到其他两个小兄弟也进入饭店（计数器==0），主线程才能吃饭
     latch.await();
     System.out.println("主线程终于可以开始吃饭了～");
}

四、源码分析

核心代码：

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
latch.await();
latch.countDown();
其中构造函数的参数是计数器的值；
await()方法是用来阻塞线程，直到计数器的值为0
countDown()方法是执行计数器-1操作

1、首先来看构造函数的代码

public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}
这段代码很简单，首先if判断传入的count是否<0，如果小于0直接抛异常。
然后new一个类Sync，这个Sync是什么呢？我们一起来看下

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

    Sync(int count) {
        setState(count);
    }

    int getCount() {
        return getState();
    }
//尝试获取共享锁
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return (getState() == 0) ? 1 : -1;
    }
//尝试释放共享锁
    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;
        }
    }
}

可以看到Sync是一个内部类，继承了AQS，AQS是一个同步器，之后我们会详细讲。
其中有几个核心点：

变量 state是父类AQS里面的变量，在这里的语义是计数器的值
getState()方法也是父类AQS里的方法，很简单，就是获取state的值
tryAcquireShared和tryReleaseShared也是父类AQS里面的方法，在这里CountDownLatch对他们进行了重写，先有个印象，之后详讲。
2、了解了CountDownLatch的构造函数之后，我们再来看它的核心代码，首先是await()。

public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
可以看到，其实是通过内部类Sync调用了父类AQS的acquireSharedInterruptibly()方法。

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
//判断线程是否是中断状态
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//尝试获取state的值
if (tryAcquireShared(arg) < 0)//step1
doAcquireSharedInterruptibly(arg);//step2
}
tryAcquireShared(arg)这个方法就是我们刚才在Sync内看到的重写父类AQS的方法，意思就是判断是否getState() == 0，如果state为0,返回1，则step1处不进入if体内acquireSharedInterruptibly(int arg)方法执行完毕。若state!=0，则返回-1，进入if体内step2处。

下面我们来看acquireSharedInterruptibly(int arg)方法：

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    //step1、把当前线程封装为共享类型的Node，加入队列尾部
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
        //step2、获取当前node的前一个元素
                final Node p = node.predecessor();
        //step3、如果前一个元素是队首
                if (p == head) {
            //step4、再次调用tryAcquireShared()方法，判断state的值是否为0
                    int r = tryAcquireShared(arg);
            //step5、如果state的值==0
                    if (r >= 0) {
            //step6、设置当前node为队首，并尝试释放共享锁
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
        //step7、是否可以安心挂起当前线程，是就挂起；并且判断当前线程是否中断
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
    //step8、如果出现异常,failed没有更新为false，则把当前node从队列中取消
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

按照代码中的注释，我们可以大概了解该方法的内容，下面我们来仔细看下其中调用的一些方法是干什么的。
1、首先看addWaiter()

//step1
private Node addWaiter(Node mode) {
    //把当前线程封装为node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    //获取当前队列的队尾tail，并赋值给pred
        Node pred = tail;
    //如果pred!=null，即当前队尾不为null
        if (pred != null) {
    //把当前队尾tail，变成当前node的前继节点
            node.prev = pred;
        //cas更新当前node为新的队尾
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
    //如果队尾为空，走enq方法
        enq(node);//step1.1
        return node;
    }

//step1.1
private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
        //如果队尾tail为null，初始化队列
            if (t == null) { // Must initialize
        //cas设置一个新的空node为队首
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
        //cas把当前node设置为新队尾，把前队尾设置成当前node的前继节点
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

2、接下来我们在来看setHeadAndPropagate()方法，看其内部实现

//step6
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    //获取队首head
        Node h = head; // Record old head for check below
    //设置当前node为队首，并取消node所关联的线程
        setHead(node);
    //
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
        //如果当前node的后继节点为null或者是shared类型的
            if (s == null || s.isShared())
        //释放锁，唤醒下一个线程
                doReleaseShared();//step6.1
        }
    }

//step6.1

private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
        //找到头节点
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
        //获取头节点状态
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
            //唤醒head节点的next节点
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

3、接下来我们来看countDown()方法。

public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }
可以看到调用的是父类AQS的releaseShared 方法

public final boolean releaseShared(int arg) {
    //state-1
        if (tryReleaseShared(arg)) {//step1
        //唤醒等待线程，内部调用的是LockSupport.unpark方法
            doReleaseShared();//step2
            return true;
        }
        return false;
    }

//step1
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // Decrement count; signal when transition to zero
            for (;;) {
        //获取当前state的值
                int c = getState();
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
        //cas操作来进行原子减1
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }

五、总结

CountDownLatch主要是通过计数器state来控制是否可以执行其他操作，如果不能就通过LockSupport.park()方法挂起线程，直到其他线程执行完毕后唤醒它。 下面我们通过一个简单的图来帮助我们理解一下：