java并发编程之:CountDownLatch
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java并发编程之:CountDownLatch
残刃O 发表于3个月前
java并发编程之:CountDownLatch
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java并发编程之:CountDownLatch

CountDownLatch是一个同步辅助类,在完成一组正在其他线程中执行的操作之前,它允许一个或多个线程一直等待。

CountDownLatch源码

CountDownLatch函数列表

CountDownLatch(int count)
构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch。

// 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。
void await()
// 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。
boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
// 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。
void countDown()
// 返回当前计数。
long getCount()
// 返回标识此锁存器及其状态的字符串。
String toString()

CountDownLatch数据结构

CountDownLatch的UML类图如下:

CountDownLatch的数据结构很简单,它是通过"共享锁"实现的。它包含了sync对象,sync是Sync类型。Sync是实例类,它继承于AQS。

1. CountDownLatch(int count)

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

说明:该函数是创建一个Sync对象,而Sync是继承于AQS类。Sync构造函数如下:

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

setState()在AQS中实现,源码如下:

protected final void setState(long newState) {
    state = newState;
}

说明:在AQS中,state是一个private volatile long类型的对象。对于CountDownLatch而言,state表示的”锁计数器“。CountDownLatch中的getCount()最终是调用AQS中的getState(),返回的state对象,即”锁计数器“。

2. await()

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

说明:该函数实际上是调用的AQS的acquireSharedInterruptibly(1);

AQS中的acquireSharedInterruptibly()的源码如下:

public final void acquireSharedInterruptibly(long arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

说明:acquireSharedInterruptibly()的作用是获取共享锁。
如果当前线程是中断状态,则抛出异常InterruptedException。否则,调用tryAcquireShared(arg)尝试获取共享锁;尝试成功则返回,否则就调用doAcquireSharedInterruptibly()。doAcquireSharedInterruptibly()会使当前线程一直等待,直到当前线程获取到共享锁(或被中断)才返回。

tryAcquireShared()在CountDownLatch.java中被重写,它的源码如下:

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

说明:tryAcquireShared()的作用是尝试获取共享锁。
如果"锁计数器=0",即锁是可获取状态,则返回1;否则,锁是不可获取状态,则返回-1。

private void doAcquireSharedInterruptibly(long arg)
    throws InterruptedException {
    // 创建"当前线程"的Node节点,且Node中记录的锁是"共享锁"类型;并将该节点添加到CLH队列末尾。
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            // 获取上一个节点。
            // 如果上一节点是CLH队列的表头,则"尝试获取共享锁"。
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                long r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // (上一节点不是CLH队列的表头) 当前线程一直等待,直到获取到共享锁。
            // 如果线程在等待过程中被中断过,则再次中断该线程(还原之前的中断状态)。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

说明
(01) addWaiter(Node.SHARED)的作用是,创建”当前线程“的Node节点,且Node中记录的锁的类型是”共享锁“(Node.SHARED);并将该节点添加到CLH队列末尾。。
(02) node.predecessor()的作用是,获取上一个节点。如果上一节点是CLH队列的表头,则”尝试获取共享锁“。
(03) shouldParkAfterFailedAcquire()的作用和它的名称一样,如果在尝试获取锁失败之后,线程应该等待,则返回true;否则,返回false。
(04) 当shouldParkAfterFailedAcquire()返回ture时,则调用parkAndCheckInterrupt(),当前线程会进入等待状态,直到获取到共享锁才继续运行。
doAcquireSharedInterruptibly()中的shouldParkAfterFailedAcquire(), parkAndCheckInterrupt等函数在之前介绍过,这里也就不再详细说明了。

3. countDown()

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

说明:该函数实际上调用releaseShared(1)释放共享锁。

releaseShared()在AQS中实现,源码如下:

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

说明:releaseShared()的目的是让当前线程释放它所持有的共享锁。
它首先会通过tryReleaseShared()去尝试释放共享锁。尝试成功,则直接返回;尝试失败,则通过doReleaseShared()去释放共享锁。

tryReleaseShared()在CountDownLatch.java中被重写,源码如下:

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // Decrement count; signal when transition to zero
    for (;;) {
        // 获取“锁计数器”的状态
        int c = getState();
        if (c == 0)
            return false;
        // “锁计数器”-1
        int nextc = c-1;
        // 通过CAS函数进行赋值。
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

说明:tryReleaseShared()的作用是释放共享锁,将“锁计数器”的值-1。doReleaseShared作用是释放被锁定(等待)的线程

 private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

//唤醒队列中等待的线程 不进行head 与 head.next之间的切换,切换是在 唤醒线程之后,在被唤醒的线程总进行切换的。
 private void unparkSuccessor(Node node) {
       
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

总结:CountDownLatch是通过“共享锁”实现的。在创建CountDownLatch中时,会传递一个int类型参数count,该参数是“锁计数器”的初始状态,表示该“共享锁”最多能被count给线程同时获取。当某线程调用该CountDownLatch对象的await()方法时,该线程会等待“共享锁”可用时,才能获取“共享锁”进而继续运行。而“共享锁”可用的条件,就是“锁计数器”的值为0!而“锁计数器”的初始值为count,每当一个线程调用该CountDownLatch对象的countDown()方法时,才将“锁计数器”-1;通过这种方式,必须有count个线程调用countDown()之后,“锁计数器”才为0,而前面提到的等待线程才能继续运行!

以上,就是CountDownLatch的实现原理。

 

CountDownLatch在实时系统中的使用场景

让我们尝试罗列出在java实时系统中CountDownLatch都有哪些使用场景

  1. 实现最大的并行性:有时我们想同时启动多个线程,实现最大程度的并行性。例如,我们想测试一个单例类。如果我们创建一个初始计数为1的CountDownLatch,并让所有线程都在这个锁上等待,那么我们可以很轻松地完成测试。我们只需调用 一次countDown()方法就可以让所有的等待线程同时恢复执行。
  2. 开始执行前等待n个线程完成各自任务:例如应用程序启动类要确保在处理用户请求前,所有N个外部系统已经启动和运行了。
  3. 死锁检测:一个非常方便的使用场景是,你可以使用n个线程访问共享资源,在每次测试阶段的线程数目是不同的,并尝试产生死锁。

在这个例子中,我模拟了一个应用程序启动类,它开始时启动了n个线程类,这些线程将检查外部系统并通知闭锁,并且启动类一直在闭锁上等待着。一旦验证和检查了所有外部服务,那么启动类恢复执行。

BaseHealthChecker.java:这个类是一个Runnable,负责所有特定的外部服务健康的检测。它删除了重复的代码和闭锁的中心控制代码。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * Created by zhubo on 2017/9/9.
 */
public abstract class BaseHealthChecker implements Runnable{
    //这个类是一个Runnable,负责所有特定的外部服务健康的检测。它删除了重复的代码和闭锁的中心控制代码


    private CountDownLatch _latch;
    private String _serviceName;
    private boolean _serviceUp;

    public BaseHealthChecker(String serviceName, CountDownLatch latch)
    {
        super();
        this._latch = latch;
        this._serviceName = serviceName;
        this._serviceUp = false;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            verifyService();
            _serviceUp = true;
        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace(System.err);
            _serviceUp = false;
        } finally {
            if(_latch != null) {
                _latch.countDown();
            }
        }
    }

    public String getServiceName() {
        return _serviceName;
    }

    public boolean isServiceUp() {
        return _serviceUp;
    }

    public abstract void verifyService();

}

NetworkHealthChecker.java:这个类继承了BaseHealthChecker,实现了verifyService()方法。DatabaseHealthChecker.javaCacheHealthChecker.java除了服务名和休眠时间外,与NetworkHealthChecker.java是一样的。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * Created by zhubo on 2017/9/9.
 * 这个类继承了BaseHealthChecker,实现了verifyService()方法。
 */
public class NetworkHealthChecker extends BaseHealthChecker{
    public NetworkHealthChecker (CountDownLatch latch)  {
        super("Network Service", latch);
    }

    @Override
    public void verifyService()
    {
        System.out.println("Checking " + this.getServiceName());
        try
        {
            Thread.sleep(7000);
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(this.getServiceName() + " is UP");
    }
}

ApplicationStartupUtil.java:这个类是一个主启动类,它负责初始化闭锁,然后等待,直到所有服务都被检测完。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * Created by zhubo on 2017/9/10.
 * 这个类是一个主启动类,它负责初始化闭锁,然后等待,直到所有服务都被检测完。
 */
public class ApplicationStartupUtil {
    //List of service checkers
    private static List<BaseHealthChecker> _services;

    //This latch will be used to wait on
    private static CountDownLatch _latch;
    private ApplicationStartupUtil()
    {
    }
    private final static ApplicationStartupUtil INSTANCE = new ApplicationStartupUtil();

    public static ApplicationStartupUtil getInstance()
    {
        return INSTANCE;
    }

    public static boolean checkExternalServices() throws Exception
    {
    //Initialize the latch with number of service checkers
        _latch = new CountDownLatch(3);

    //All add checker in lists
        _services = new ArrayList<BaseHealthChecker>();
        _services.add(new NetworkHealthChecker(_latch));
        _services.add(new CacheHealthChecker(_latch));
        _services.add(new DatabaseHealthChecker(_latch));

    //Start service checkers using executor framework
        Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(_services.size());

        for(final BaseHealthChecker v : _services)
        {
            executor.execute(v);
        }

    //Now wait till all services are checked
        _latch.await();

    //Services are file and now proceed startup
        for(final BaseHealthChecker v : _services)
        {
            if( ! v.isServiceUp())
            {
            return false;
            }
        }
        return true;
    }
}
Checking Network Service
Checking Cache Service
Checking Database Service
Database Service is UP
Cache Service is UP
Network Service is UP
External services validation completed !! Result was :: true

团队赛跑游戏

再比如一个团队赛跑游戏,最后要计算团队赛跑的成绩,主线程计算最后成绩,要等到所有 
团队成员跑完,方可计算总成绩。使用情况两种:第一种,所有线程等待一个开始信息号,当开始信息号启动时,所有线程执行,等待所有线程执行完;第二种,所有线程放在线程池中,执行,等待所有线程执行完,方可执行主线程任务方可执行主线程任务。 

import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
import java.util.concurrent.ExecutionException;  
import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
import java.util.concurrent.Future;  
  
public class RunnerGames {  
    public static void main(String[] args) {  
           CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);  
           CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(3);  
           ExecutorService  exec = Executors.newCachedThreadPool();  
           RunnableMan rm1 = new RunnableMan(startSignal,doneSignal, 1000);  
           RunnableMan rm2 = new RunnableMan(startSignal,doneSignal, 2000);  
           RunnableMan rm3 = new RunnableMan(startSignal,doneSignal, 3000);  
           Future<Integer> score1 = exec.submit(rm1);  
           Future<Integer> score2 = exec.submit(rm2);  
           Future<Integer> score3 = exec.submit(rm3);  
           System.out.println("开始赛跑......");  
           startSignal.countDown();  
           try {  
               doneSignal.await();  
            } catch (InterruptedException e1) {  
                e1.printStackTrace();  
            }    
           int sumScores =0;  
           try {  
               try {  
                sumScores  = score1.get()+score2.get()+score3.get();  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
            } catch (ExecutionException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
           System.out.println("团队赛跑结束,最后成绩为:"+sumScores);  
           exec.shutdown();  
         }  
}  
package juc;  
  
import java.util.concurrent.Callable;  
import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
  
class RunnableMan implements Callable<Integer> {    
      private final CountDownLatch startSignal;  
      private final CountDownLatch doneSignal;               
      private final int i;                                   
      RunnableMan(CountDownLatch startSignal,CountDownLatch doneSignal, int i) {     
         this.startSignal = startSignal;  
         this.doneSignal = doneSignal;                       
         this.i = i;                                         
      }                                                      
      public Integer call() {          
         try {  
            startSignal.await();  
            doRun(i);  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }                                        
         doneSignal.countDown();  
         return new Integer(i);  
      }                                                      
      void doRun(int i) throws InterruptedException {   
          System.out.println("选手"+i/1000+"正在赛跑中........");  
          Thread.sleep(i*2);  
      }                               
}  

测试结果: 
开始赛跑...... 
选手3正在赛跑中........ 
选手2正在赛跑中........ 
选手1正在赛跑中........ 
团队赛跑结束,最后成绩为:6000 

 

 

 

标签: Java
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