多线程高并发编程(5) -- CountDownLatch、CyclicBarrier源码分析
一.CountDownLatch
1.概念
public CountDownLatch(int count) {//初始化
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}
CountDownLatch是一个同步工具类，用来协调多个线程之间的同步，或者说起到线程之间的通信（而不是用作互斥的作用）。
CountDownLatch能够使一个线程在等待另外一些线程完成各自工作之后，再继续执行。使用一个计数器进行实现。计数器初始值为线程的数量。当每一个线程完成自己任务后，计数器的值就会减一。当计数器的值为0时，表示所有的线程都已经完成一些任务，然后在CountDownLatch上等待的线程就可以恢复执行接下来的任务。
下面有A、B、C、D4个线程同时执行，A是主线程，B、C、D是子线程，A先开始执行后阻塞，等待子线程全部执行结束才继续执行剩下的任务。
2.用法
1）、某一线程在开始运行前等待n个线程执行完毕。将CountDownLatch的计数器初始化为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。一个典型应用场景就是启动一个服务时，主线程需要等待多个组件加载完毕，之后再继续执行。
public static void main(String[] args) {
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);
final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
for (int i = 0; i < 3; i++) {
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完成");
latch.countDown();//当前线程调用此方法，则计数减一
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
service.execute(runnable);
}
try {
System.out.println("主线程"+Thread.currentThread().getName()+"等待子线程执行完成...");
latch.await();//阻塞当前线程，直到计数器的值为0
System.out.println("主线程"+Thread.currentThread().getName()+"开始执行...");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
结果：
主线程main等待子线程执行完成...
子线程pool-1-thread-1开始执行
子线程pool-1-thread-3开始执行
子线程pool-1-thread-2开始执行
子线程pool-1-thread-3执行完成
子线程pool-1-thread-1执行完成
子线程pool-1-thread-2执行完成
主线程main开始执行...
2）、实现多个线程开始执行任务的最大并行性。注意是并行性，不是并发，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。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。做法是初始化一个共享的CountDownLatch(1)，将其计算器初始化为1，多个线程在开始执行任务前首先countdownlatch.await()，当主线程调用countDown()时，计数器变为0，多个线程同时被唤醒。
public static void main(String[] args) {
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
final CountDownLatch cdOrder = new CountDownLatch(1);
final CountDownLatch cdAnswer = new CountDownLatch(4);
for (int i = 0; i < 4; i++) {
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println("选手" + Thread.currentThread().getName() + "正在等待裁判发布口令");
cdOrder.await();
System.out.println("选手" + Thread.currentThread().getName() + "已接受裁判口令");
Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
System.out.println("选手" + Thread.currentThread().getName() + "到达终点");
cdAnswer.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
service.execute(runnable);
}
try {
Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
System.out.println("裁判"+Thread.currentThread().getName()+"即将发布口令");
cdOrder.countDown();
System.out.println("裁判"+Thread.currentThread().getName()+"已发送口令，正在等待所有选手到达终点");
cdAnswer.await();
System.out.println("所有选手都到达终点");
System.out.println("裁判"+Thread.currentThread().getName()+"汇总成绩排名");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
service.shutdown();
}
结果:
选手pool-1-thread-2正在等待裁判发布口令
选手pool-1-thread-1正在等待裁判发布口令
选手pool-1-thread-3正在等待裁判发布口令
选手pool-1-thread-4正在等待裁判发布口令
裁判main即将发布口令
裁判main已发送口令，正在等待所有选手到达终点
选手pool-1-thread-2已接受裁判口令
选手pool-1-thread-1已接受裁判口令
选手pool-1-thread-3已接受裁判口令
选手pool-1-thread-4已接受裁判口令
选手pool-1-thread-2到达终点
选手pool-1-thread-1到达终点
选手pool-1-thread-4到达终点
选手pool-1-thread-3到达终点
所有选手都到达终点
裁判main汇总成绩排名
3.countDown解析
递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。如果当前计数大于零，则将计数减少.
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
countDown调用AQS的releaseShared
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {//数量为0
doReleaseShared();//唤醒其他等待线程
return true;
}
return false;
}
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {//releaseShared调用，由CountDownLatch的内部类Sync实现
throw new UnsupportedOperationException();
}
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {//CountDownLatch的内部类Sync
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {//自旋，count不断-1，直到为0则发起唤醒信号
int c = getState();//获得数量，在CountDownLatch(int count)初始化时定义了数量
if (c == 0)//数量为0则返回false
return false;
int nextc = c-1;//数量-1
//CAS更新状态，nextc为0返回true
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
}
4.await解析
使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。如果当前计数为零，则唤醒阻塞线程。
如果当前计数大于零，则出于线程调度目的，将禁用当前线程，该线程将一直出于休眠状态；
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);//由AQS实现
}
/**
* Acquires in shared mode, aborting if interrupted. Implemented
* by first checking interrupt status, then invoking at least once
* {@link #tryAcquireShared}, returning on success. Otherwise the
* thread is queued, possibly repeatedly blocking and unblocking,
* invoking {@link #tryAcquireShared} until success or the thread
* is interrupted.
* 以共享模式获取，如果中断被中止。
* 实现首先检查中断状态，然后至少调用一次tryacquirered，成功返回。
* 否则,线程排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，
* 调用tryacquiremred直到成功或线程被打断了。
*/
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())//有中断抛出异常
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)//CountDownLatch的Sync实现，计数数量不为0，表示有线程需要阻塞
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
//以共享中断模式获取
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//创建当前线程的节点，并且锁的模型是共享锁，将其添加到AQS CLH队列的末尾
boolean failed = true;
try {
for (;;) {//自旋
final Node p = node.predecessor();//获得当前节点的前驱节点
if (p == head) {//是头节点，没有等待节点
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {//子线程都执行完成了，原先阻塞线程唤醒执行
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
//前继节点非head节点，没资源获取，将前继节点状态设置为SIGNAL，通过park挂起node节点的线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);//结束该节点线程的请求
}
}
二.CyclicBarrier
1.概念
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {//初始化
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.parties = parties;
this.count = parties;
this.barrierCommand = barrierAction;
}
public CyclicBarrier(int parties) {//初始化
this(parties, null);
}
允许一组线程全部等待彼此达到共同屏障点的同步辅助。 循环阻塞在涉及固定大小的线程方的程序中很有用，这些线程必须偶尔等待彼此。 屏障被称为循环 ，因为它可以在等待的线程被释放之后重新使用。
A CyclicBarrier支持一个可选的Runnable命令，每个屏障点运行一次，在派对中的最后一个线程到达之后，但在任何线程释放之前。 在任何一方继续进行之前，此屏障操作对更新共享状态很有用。
CyclicBarrier当计数减少到0时，会唤醒所有阻塞在同一个Condition上的线程，与CountDownLatch不同的是所有的线程必须同时被唤醒，就好比钓鱼比赛，所有人必须同时开始抛竿一样。CountDownLatch只要求主线程的动作在其他依赖的线程执行完之后执行就OK。
下面有A、B、C、D4个线程同时执行，每个线程有任务a、b，每个线程的每个任务执行完才开始继续下个任务执行。
2.用法
public class CyclicBarrierTest {
public static void main(String[] args) {
int count = 10;//并发线程数
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(count);
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(count);
int n = 1;
for (int i = 0; i < count; i++) {
executorService.execute(new Task(cyclicBarrier, n));
n++;
}
executorService.shutdown(); // 关闭线程池
// 判断是否所有的线程已经运行完
while (!executorService.isTerminated()) {
try {
// 所有线程池中的线程执行完毕，执行后续操作
System.out.println(" ==============is sleep============");
Thread.sleep(10000);
System.out.println(" ==============is wake============");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class Task implements Runnable {
private CyclicBarrier cyclicBarrier;
int n = 0;
public Task(CyclicBarrier cyclicBarrier, int n) {
this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
this.n = n;
}
@Override
public void run() {
try {
System.out.println("赛马" + n + "到达栅栏前");
cyclicBarrier.await();
System.out.println("赛马" + n + "开始跑");
cyclicBarrier.await();
System.out.println("赛马" + n + "到达终点");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
结果：
==============is sleep============
赛马2到达栅栏前
赛马3到达栅栏前
赛马4到达栅栏前
赛马1到达栅栏前
赛马5到达栅栏前
赛马6到达栅栏前
赛马7到达栅栏前
赛马8到达栅栏前
赛马9到达栅栏前
赛马10到达栅栏前
赛马10开始跑
赛马3开始跑
赛马2开始跑
赛马4开始跑
赛马1开始跑
赛马6开始跑
赛马7开始跑
赛马5开始跑
赛马9开始跑
赛马8开始跑
赛马8到达终点
赛马2到达终点
赛马3到达终点
赛马4到达终点
赛马7到达终点
赛马10到达终点
赛马5到达终点
赛马6到达终点
赛马1到达终点
赛马9到达终点
==============is wake============
3.await解析
如果当前线程不是最后一个线程，那么它被禁用以进行线程调度，并且处于休眠状态，直到发生下列事情之一：
- 最后一个线程到达; 要么
- 一些其他线程当前线程为interrupts ; 要么
- 一些其他线程interrupts其他等待线程之一; 要么
- 一些其他线程在等待屏障时超时; 要么
- 其他一些线程在这个屏障上调用
reset()。
CyclicBarrier的原理：在CyclicBarrier的内部定义了一个Lock对象，每当一个线程调用await方法时，将拦截的线程数减1，然后判断剩余拦截数是否为初始值parties，如果不是，进入Lock对象的条件队列等待。如果是，执行barrierAction对象的Runnable方法，然后将锁的条件队列中的所有线程放入锁等待队列中，这些线程会依次的获取锁、释放锁。
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
final ReentrantLock lock = this.lock;//获锁
lock.lock();//加锁
try {
//当代，每个屏障都会创建一个Generation实例
final Generation g = generation;
if (g.broken)//当代遭到破坏抛出异常
throw new BrokenBarrierException();
if (Thread.interrupted()) {//线程中断抛出异常
// 将损坏状态设置为true，并通知其他阻塞在此栅栏上的线程
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
int index = --count;//获取下标并-1
if (index == 0) { //最后一个线程到达了
boolean ranAction = false;
try {
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null)
command.run();//执行栅栏任务
ranAction = true;
nextGeneration();// 更新一代，将count重置，将generation重置，唤醒之前等待的线程
return 0;
} finally {
// 如果执行栅栏任务的时候失败了，就将损坏状态设置为true
if (!ranAction)
breakBarrier();
}
}
// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
for (;;) {
try {
if (!timed)//如果没有时间限制，直接等待直到被唤醒
trip.await();
else if (nanos > 0L)
nanos = trip.awaitNanos(nanos);//等待指定时间
} catch (InterruptedException ie) {
if (g == generation && ! g.broken) {//当代没有损坏
breakBarrier();//让栅栏失效
throw ie;
} else {// 上面条件不满足，说明这个线程不是这代的，就不会影响当前这代栅栏的执行，所以，就打个中断标记
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
// 当有任何一个线程中断了，就会调用breakBarrier方法，
//就会唤醒其他的线程，其他线程醒来后，也要抛出异常
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
// g != generation表示正常换代了，返回当前线程所在栅栏的下标
// 如果 g == generation，说明还没有换代，那为什么会醒了？
// 因为一个线程可以使用多个栅栏，当别的栅栏唤醒了这个线程，就会走到这里，所以需要判断是否是当前代。
// 正是因为这个原因，才需要generation来保证正确。
if (g != generation)
return index;
// 如果有时间限制，且时间小于等于0，销毁栅栏并抛出异常
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
dowait(boolean, long)方法的主要逻辑处理比较简单，如果该线程不是最后一个调用await方法的线程，则它会一直处于等待状态，除非发生以下情况：
最后一个线程到达，即index == 0
某个参与线程等待超时
某个参与线程被中断
调用了CyclicBarrier的reset()方法。该方法会将屏障重置为初始状态
在上面的源代码中，我们可能需要注意Generation 对象，在上述代码中我们总是可以看到抛出BrokenBarrierException异常，那么什么时候抛出异常呢？如果一个线程处于等待状态时，如果其他线程调用reset()，或者调用的barrier原本就是被损坏的，则抛出BrokenBarrierException异常。同时，任何线程在等待时被中断了，则其他所有线程都将抛出BrokenBarrierException异常，并将barrier置于损坏状态。
同时，Generation描述着CyclicBarrier的更新换代。在CyclicBarrier中，同一批线程属于同一代。当有parties个线程到达barrier之后，generation就会被更新换代。其中broken标识该当前CyclicBarrier是否已经处于中断状态。
注意事项：
CyclicBarrier使用独占锁来执行await方法，并发性可能不是很高。
如果在等待过程中，线程被中断了，就抛出异常。但如果中断的线程所对应的CyclicBarrier不是这代的，比如，在最后一次线程执行signalAll后，并且更新了这个“代”对象。在这个区间，这个线程被中断了，那么，JDK认为任务已经完成了，就不必在乎中断了，只需要打个标记。该部分源码已在dowait(boolean, long)方法中进行了注释。
如果线程被其他的CyclicBarrier唤醒了，那么g肯定等于generation，这个事件就不能return了，而是继续循环阻塞。反之，如果是当前CyclicBarrier唤醒的，就返回线程在CyclicBarrier的下标。完成了一次冲过栅栏的过程。该部分源码已在dowait(boolean, long)方法中进行了注释。
参考：
CyclicBarrier：https://blog.csdn.net/qq_38293564/article/details/80558157
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