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前言
控制并发流程的工具类，作用就是帮助我们程序员更容易的让线程之间合作，让线程之间相互配合来满足业务逻辑。比如让线程A等待线程B执行完毕后再执行等合作策略。
控制并发流程的工具类主要有：
| 类 | 作用 | 说明 |
|---|---|---|
| Semaphore | 信号量，可以通过控制“许可证”的数量，来保证线程之间的配合 | 线程只有拿到“许可证”后才能继续运行，相比于其它的同步器，更灵活 |
| CyclicBarrier | 线程会等待，直到足够多线程达到了事先规定的数目。一旦达到触发条件，就可以进行下一步的动作 | 适用于线程之间相互等待处理结果的就绪场景 |
| Phaser | 和CyclicBarrier类似，但是计数可变 | Java7加入的 |
| CountDownLatch | 和CyclicBarrier类似，数量递减到0时，触发动作 | 不可重复使用 |
| Exchanger | 让两个线程在合适时交换对象 | 适用场景：当两个线程工作在同一个类的不同实例上时，用于交换数据 |
| Condition | 可以控制线程的“等待”和“唤醒” | 是Object.wait() 的升级版 |
简介
背景
- CountDownLatch是在Java1.5被引入，跟它一起被引入的工具类还有CyclicBarrier、Semaphore、ConcurrenthashMap和BlockingQueue。
- 在java.util.cucurrent包下。
概念
- CountDownLatch是一个同步计数器，他允许一个或者多个线程在另外一组线程执行完成之前一直等待，基于AQS共享模式实现的。
- 是通过一个计数器来实现的，计数器的初始值是线程的数量。每当一个线程执行完毕后，计数器的值就-1，当计数器的值为0时，表示所有线程都执行完毕，然后在闭锁上等待的线程就可以恢复工作来。
关于 AQS，可以查看《并发编程之抽象队列同步器AQS应用ReentrantLock》
应用场景
Zookeeper分布式锁，Jmeter模拟高并发等
场景1 让多个线程等待：模拟并发，让并发线程一起执行
为了模拟高并发，让一组线程在指定时刻(秒杀时间)执行抢购，这些线程在准备就绪后，进行等待(CountDownLatch.await())，直到秒杀时刻的到来，然后一拥而上。这也是本地测试接口并发的一个简易实现。
在这个场景中，CountDownLatch充当的是一个发令枪的角色；就像田径赛跑时，运动员会在起跑线做准备动作，等到发令枪一声响，运动员就会奋力奔跑。和上面的秒杀场景类似。
代码实现如下：
package com.niuh.tools;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
/**
* <p>
* CountDownLatch示例
* 场景1 让多个线程等待：模拟并发，让并发线程一起执行
* </p>
*/
public class CountDownLatchRunner1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
try {
//准备完毕……运动员都阻塞在这，等待号令
countDownLatch.await();
String parter = "【" + Thread.currentThread().getName() + "】";
System.out.println(parter + "开始执行……");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
Thread.sleep(2000);// 裁判准备发令
countDownLatch.countDown();// 发令枪：执行发令
}
}
运行结果：
【Thread-2】开始执行……
【Thread-4】开始执行……
【Thread-3】开始执行……
【Thread-0】开始执行……
【Thread-1】开始执行……
我们通过CountDownLatch.await()，让多个参与者线程启动后阻塞等待，然后在主线程 调用CountDownLatch.countdown(1) 将计数减为0，让所有线程一起往下执行；以此实现了多个线程在同一时刻并发执行，来模拟并发请求的目的。
场景2 让单个线程等待：多个线程(任务)完成后，进行汇总合并
很多时候，我们的并发任务，存在前后依赖关系；比如数据详情页需要同时调用多个接口获取数据，并发请求获取到数据后、需要进行结果合并；或者多个数据操作完成后，需要数据check；这其实都是：在多个线程(任务)完成后，进行汇总合并的场景。
代码实现如下：
package com.niuh.tools;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
/**
* <p>
* CountDownLatch示例
* 场景2 让单个线程等待：多个线程(任务)完成后，进行汇总合并
* </p>
*/
public class CountDownLatchRunner2 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
final int index = i;
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(1000 + ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000));
System.out.println("finish" + index + Thread.currentThread().getName());
countDownLatch.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
countDownLatch.await();// 主线程在阻塞，当计数器==0，就唤醒主线程往下执行。
System.out.println("主线程:在所有任务运行完成后，进行结果汇总");
}
}
运行结果：
finish3Thread-3
finish0Thread-0
finish1Thread-1
finish4Thread-4
finish2Thread-2
主线程:在所有任务运行完成后，进行结果汇总
在每个线程(任务) 完成的最后一行加上CountDownLatch.countDown()，让计数器-1；当所有线程完成-1，计数器减到0后，主线程往下执行汇总任务。
源码分析
本文基于JDK1.8
CountDownLatch 类图
从图中可以看出CountDownLatch是基于Sync类实现的，而Sync继承AQS，使用的是AQS共享模式。
其内部主要变量和方法如下：
在我们方法中调用 awit() 和 countDown() 的时候，发生了几个关键的调用关系，如下图所示：
其与AQS交互原理如下：
构造函数
CountDownLatch类中只提供了一个构造器，参数count为计数器的大小
public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}
这里需要注意，设置state的数量只有在初始化CountDownLatch的时候，如果该state被减成了0，就无法继续使用这个CountDownLatch了，需要重新new一个，这就是这个类不可重用的原因，有另一个类也实现了类似的功能，但是可以重用，就是CyclicBarrier。
内部同步器
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
//初始化，设置资源个数
Sync(int count) {
setState(count);
}
//获取共享资源个数
int getCount() {
return getState();
}
//尝试获取共享锁，只有当共享资源个数为0的时候，才会返回1，否则为-1
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
//释放共享资源，通过CAS每次对state减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;
}
}
}
主要方法
类中有三个方法是最重要的
// 调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
//和await()方法类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的化就会继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
//将count值减1
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
await()方法
// 调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
进入AbstractQueuedSynchronizer #acquireSharedInterruptibly()方法.
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
//等待过程不可中断
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//这里的tryAcquireShared在AbstractQueuedSynchronizer中没有实现，在上面介绍的Sync中实现的
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
在上面介绍Sync类的时候#tryAcquireShared()，当AQS的state = 0的时候才会返回1，否则一直返回-1，如果返回-1，要执行#doAcquireSharedInterruptibly()，进入该方法
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
//这里就把主线程加入队列，队列中有两个节点，第一个是虚拟节点，第二个就是主线程节点
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
//总共只有两个节点，主线程前一个就是首节点
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
//这里又执行到CountDownLatch中Sync类中实现的方法，判断state是否为0
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
//如果state不为0，这里会把主线程挂起阻塞
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
这里使用AQS很神奇，在阻塞队列中就只加入了一个主线程，但是呢，只要其他线程没有执行完，那state就不为0，那主线程就在这里阻塞着，那问题了，谁来唤醒这个主线程呢？就是 countDown() 这个方法。
await(long timeout, TimeUnit unit)方法
该方法就是指定等待时间，如果在规定的等待时间中没有完成，就直接返回false，在主线程中可以根据这个状态进行后续的处理。
//和await()方法类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的化就会继续执行
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
countDown() 方法
//将count值减1
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
进入AbstractQueuedSynchronizer #releaseShared方法
public final boolean releaseShared(int arg) {
//该方法同样在AbstractQueuedSynchronizer中没有实现，在CountDownLatch中实现
if (tryReleaseShared(arg)) {
//唤醒主线程
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
在分析Sync类的时候，介绍了tryReleaseShared(),该方法会把AQS的state减1，如果减1操作成功，执行唤醒主线程操作，进入AbstractQueuedSynchronizer#tryReleaseShared()方法
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
//首节点状态为SIGNAL = -1
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
//唤醒主线程，也就是队列中的第二个节点,如果线程没有执行完成，主线程被唤醒之后，发现state依然不为零，会再次阻塞
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
总结
CountDownLatch 和 Semaphore 一样都是共享模式下资源问题，这些源码实现AQS的模版方法，然后使用CAS+循环重试实现自己的功能。在RT多个资源调用，或者执行某种操作依赖其他操作完成下可以发挥这个计数器的作用。
CountDownLatch就只在队列中放入一个主线程，然后不停的唤醒，唤醒之后发现state还是不为0，就继续等待。每个子线程执行完都会对state进行减1操作，当所有子线程都执行完了，那state也就为0，这时候主线程被唤醒之后才可以继续执行。而这也正是CountDownLatch不可重用的原因，如果想要重用，需要重新new一个，因为只有在new的时候才可以设置资源的数量。
CountDownLatch与Thread.join
CountDownLatch的作用就是允许一个或多个线程等待其他线程完成操作，看起来有点类似join() 方法，但其提供了比 join() 更加灵活的API。
CountDownLatch可以手动控制在n个线程里调用n次countDown()方法使计数器进行减一操作，也可以在一个线程里调用n次执行减一操作。
而 join() 的实现原理是不停检查join线程是否存活，如果 join 线程存活则让当前线程永远等待。所以两者之间相对来说还是CountDownLatch使用起来较为灵活。
CountDownLatch与CyclicBarrier
CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同：
- CountDownLatch一般用于一个或多个线程，等待其他线程执行完任务后，再才执行；
- CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行；
- CountDownLatch 是一次性的，CyclicBarrier 是可循环利用的；
- CountDownLathch是一个计数器，线程完成一个记录一个，计数器递减，只能用一次。如下图：
- CyclicBarrier的计数器更像一个阀门，需要所有线程都到达，然后继续执行，计数器递减，提供reset功能，可以多次使用。如下图：
PS：以上代码提交在 Github ：https://github.com/Niuh-Study/niuh-juc-final.git
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