多线程与高并发（8）—— 从CountDownLatch总结AQS共享锁(三周年打卡)

不知不觉已经写文章3年了，3年只写了六十多篇文章，略有惭愧。希望后续一段时间能迎来一波创作的爆发，也能迎来自己技术的爆发。加油吧，翠花！

一 、概述

上篇文章：多线程与高并发（7）——从ReentrantLock到AQS源码详细讲解了AQS的原理，我们知道使用 AQS 能简单且高效地构造出同步器（重写tryAcquire、tryRelease就能简单实现）。这里呢，JDK给我们提供了很多高效同步器，如CountDownLatch 、CyclicBarrier、Phaser、Semaphore、Exchanger、ReentrantReadWriteLock，我们后面文章逐一讲解分析。
这里，我们会通过CountDownLatch 总结AQS共享锁的原理，同时对比下CyclicBarrier和Phaser。

二、CountDownLatch

CountDownLatch字面意思是倒数门栓，也就是倒数计数多少个线程执行完毕了。 其允许 int个线程阻塞在一个地方，直至所有线程的任务都执行完毕。

1、常用方法

await()： 调用该方法的线程处于等待状态，直到latch的值被减到0或者当前线程被中断。一般都是主线程调用。——开门
await(long timeout, TimeUnit unit)：带超时时间的await。
countDown()：使latch的值减1，如果减到了0，则会唤醒所有等待在这个latch上的线程。——倒数
getCount()：获得latch值。

2、两种典型用法

1、执行完所有的业务后才执行主线程
将 CountDownLatch 的计数器初始化为 n （new CountDownLatch(n)），每当一个任务线程执行完毕，就将计数器减 1 （countdownlatch.countDown()），当计数器的值变为 0 时，在 CountDownLatch 上 await() 的线程就会被唤醒。比如百度的文本转语音的代码，对于长文本来说，需要分段来转，需每段都转换完成才能整合整个文本。
我们再举一个例子，比如一场考试，有30个考生（线程），一个监考老师（主线程），每个考生完成试卷之后都可以提前交卷，且交卷后不需要管其他考试如何，考试结束后（所有学生交卷，latch为0），监考老师才能离开（主线程结束）。
30个学生输出结果太长，我们换成5个学生，代码如下：

 public static void main(String[] args) {
    
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        //指定线程数
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(30);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
    
            int finalI = i;
            threadPool.execute(() -> {
    
                System.out.println("学生"+ finalI +"交卷");
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        try {
    
            //开门
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
    
            e.printStackTrace();
        }
        threadPool.shutdown();
        System.out.println("考试结束，监考老师离场");
    }

运行结果如下，可以看出学生交卷是无序的，但是老师必须等所有学生交完卷才能离场：

学生0交卷
学生2交卷
学生3交卷
学生1交卷
学生4交卷
考试结束，监考老师离场

2、某一时刻，所有线程一起执行。
此作用是实现多个线程开始执行任务的最大并行性。
所谓并行，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。而并发在围观上仍然是顺序执行。
类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。
代码如下：

 public static void main(String[] args) {
    
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch countDownLatch2 = new CountDownLatch(5);
        //指定线程数
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(30);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
    
            int finalI = i;
            threadPool.execute(() -> {
    
                try {
    
                    System.out.println("运动员"+ finalI +"正在准备");
                    //线程阻塞，等着被释放
                    countDownLatch.await();
                    Thread.sleep(100);
                    System.out.println("运动员"+ finalI +"冲刺");
                } catch (InterruptedException e) {
    
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch2.countDown();
                System.out.println("运动员"+ finalI +"完成比赛");

            });
        }
        try {
    
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("所有运动员准备完毕，开跑");
            //解锁释放上面的所有线程
            countDownLatch.countDown();
            //所有线程完成比赛，往下走
            countDownLatch2.await();
        } catch (InterruptedException e) {
    
            e.printStackTrace();
        }
        threadPool.shutdown();
    }

执行结果如下：

运动员1正在准备
运动员4正在准备
运动员3正在准备
运动员0正在准备
运动员2正在准备
所有运动员准备完毕，开跑
运动员0冲刺
运动员1冲刺
运动员4冲刺
运动员3冲刺
运动员2冲刺
运动员3完成比赛
运动员4完成比赛
运动员1完成比赛
运动员0完成比赛
运动员2完成比赛

3、源码解析

有了上一篇文章的基础，我们这里讲共享锁的流程会更加的得心应手。

CountDownLatch 是共享锁的一种实现,它默认构造 AQS 的 state 值为 count。当线程使用 countDown()方法时,其实使用了tryReleaseShared方法以 CAS 的操作来减少 state,直至 state 为 0 。当调用 await() 方法的时候，如果 state 不为 0，那就证明任务还没有执行完毕，await() 方法就会一直阻塞，也就是说await() 方法之后的语句不会被执行。然后，CountDownLatch 会自旋 CAS 判断 state == 0，如果 state == 0 的话，就会释放所有等待的线程，await() 方法之后的语句得到执行。

首先，我们看一下它的构造方法：

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

可以看出来，在进行new对象的时候，count就是state的初始值。
然后，我们再看一下await()方法：

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

其调用了sync的acquireSharedInterruptibly方法，也是AQS的方法：

 public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
    
            // 如果被中断，抛出异常
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
            // 尝试获取同步状态
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        	// 获取同步状态失败，自旋
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

tryAcquireShared()方法为CountDownLatch 重写的方法，如下：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    
			//当前状态是否为0可释放锁
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }

doAcquireSharedInterruptibly代码如下：

 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    
        //将当前线程加入同步队列的尾部,addWaiter可以看上一篇文章
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
    
        	//自旋
            for (;;) {
    
            //当前节点的前驱节点
                final Node p = node.predecessor();
                //如果前驱节点是头结点，则尝试获取同步状态
                if (p == head) {
    
                	//当前节点尝试获取同步状态
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
    
                    	//如果获取成功，则设置当前节点为头结点并唤醒下一个线程
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                //如果当前节点的前驱不是头结点，尝试挂起当前线程,和独享锁相同
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
    
            if (failed)
            	//取消获取锁，和独享锁相同
                cancelAcquire(node);
        }
    }

下面，我们看一下countDown() 方法的源码：

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

其同样调用了AQS的releaseShared()方法：

public final boolean releaseShared(int arg) {
    
		//获取释放同步状态
        if (tryReleaseShared(arg)) {
    
        	// 如果成功，进入自旋，尝试唤醒同步队列中头结点的后继节点
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

tryReleaseShared()代码如下：

 protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    
            // 就一个意思，自旋，直到state状态-1为0
            for (;;) {
    
                int c = getState();
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }

doReleaseShared()方法如下：

 private void doReleaseShared() {
    
 		//上来先自旋
        for (;;) {
    
        	//获取头节点
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
    
            	//头结点状态
                int ws = h.waitStatus;
                //如果是SIGNAL，尝试唤醒后继节点
                if (ws == Node.SIGNAL) {
    
                	//只要head成功的从SIGNAL修改为0，那么head的后继节点对应的线程将会被唤醒。
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    //把下一个不为空的节点unpark
                    unparkSuccessor(h);
                }
                //其他时候不唤醒
                else if (ws == 0 &&
                //前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。不停地for
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            // 如果head没有改变，则调用break退出循环
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

当头结点的后继节点被唤醒后，线程将从挂起的地方醒来，继续执行。当前状态若还>0，则设置当前节点为头结点。setHeadAndPropagate()代码如下：

 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    
 		//当前头节点
        Node h = head; // Record old head for check below
        //设置当前节点为头节点
        setHead(node);
        //如果执行这个函数，那么propagate一定等于1
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
    
            //获取当前节点的下一个节点
            Node s = node.next;
            //唤醒后续节点
            if (s == null || s.isShared())
                doReleaseShared();
        }
    }

嗯，写着写着有点乱了，画个图冷静一下：

蓝色为CountDownLatch，黄色为AQS源码。

三、CyclicBarrier

CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的栅栏（Barrier）。一组线程到达一个栅栏（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达栅栏时，栅栏才会开门，所有被拦截的线程才会继续干活。
它和CountDownLatch的区别是，比如考试，CountDownLatch中前一个考生完全不用管后一个考生如何。但是CyclicBarrier中，必须所有人到达，比如小学生出去旅游，回家时，必须每个都上车能回家。
核心方法：
await() ：在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前，将一直等待。
CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)： 用于在线程到达屏障时，优先执行 barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。
reset()：将屏障重置为其初始状态。如果所有参与者目前都在屏障处等待，则它们将返回，同时抛出一个 BrokenBarrierException。
使用代码如下：

 public static void main(String[] args) {
    
        //每5个人发车
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
        //指定线程数
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(30);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
    
            int finalI = i;
            threadPool.execute(() -> {
    
                System.out.println("学生"+ finalI +"上车");
                try {
    
                    //等待以保证子线程执行结束
                    cyclicBarrier.await(60, TimeUnit.SECONDS);
                } catch (InterruptedException e) {
    
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
    
                    e.printStackTrace();
                } catch (TimeoutException e) {
    
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("学生"+ finalI +"出发");
            });
        }
        threadPool.shutdown();

    }

执行结果如下：

学生1上车
学生3上车
学生4上车
学生2上车
学生0上车
学生0出发
学生3出发
学生1出发
学生2出发
学生4出发

可以看出，所有学生到齐了才出发。
CountDownLatch 是计数器，线程完成一个记录一个，只不过计数不是递增而是递减，而 CyclicBarrier 更像是一个阀门，需要所有线程都到达，阀门才能打开，然后继续执行。
扩展：
Phaser类又是什么呢？
Phaser 是是一个可重用的同步栅栏，它的功能与 CountDownLatch、CyclicBarrier 相似，但是可以用来解决控制多个线程分阶段共同完成任务的情景问题。——分段栅栏
也有点类似于CyclicBarrier的barrierAction，这里就不过多总结了。