多线程进阶——JUC并发编程之CountDownLatch源码一探究竟🔥

原创
2020/02/25 22:04
阅读数 1.1W

1、学习切入点

JDK的并发包中提供了几个非常有用的并发工具类。 CountDownLatchCyclicBarrierSemaphore工具类提供了一种并发流程控制的手段。本文将介绍CountDownLatch(闭锁)的实现原理。在了解闭锁之前需要先了解AQS,因为CountDownLatch的实现需要依赖于AQS共享锁的实现机制。

官方文档: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/

百度翻译如下:

一种同步辅助程序,允许一个或多个线程等待在其它线程中执行的一组操作完成。使用给定的计数初始化CountDownLatch。由于调用了countDown()方法,await方法阻塞直到当前计数为零,之后释放所有等待线程,并立即返回await的任何后续调用。这是一个一次性现象——计数不能重置。如果需要重置计数的版本,请考虑使用CyclicBarrier。倒计时锁存器是一种通用的同步工具,可用于多种目的。使用计数1初始化的倒计时锁存器用作简单的开/关锁存器或门:调用倒计时()的线程打开它之前,调用它的所有线程都在门处等待。初始化为N的倒计时锁存器可用于使一个线程等待N个线程完成某个操作或某个操作已完成N次。倒计时锁存器的一个有用特性是,它不要求调用倒计时的线程在继续之前等待计数达到零,它只是防止任何线程在所有线程都可以通过之前继续通过等待。

2、CountDownLatchDemo 一览

// 计数器
public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 总数是6,必须要执行任务的时候,再使用!
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(6);
        for (int i = 1; i <=6 ; i++) {
            new Thread(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" Go out");
                countDownLatch.countDown(); // 数量-1
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        countDownLatch.await(); // 等待计数器归零,然后再向下执行
        System.out.println("Close Door");
    }
}

结果如下:CountDownLatch可以理解为减法计数器

废话不多说,下面我们开始对CountDownLatch源码进行分析

3、CountDownLatch源码分析

首先我们打开CountDownLatch源码类(我把多余的注释都去掉了...):

package java.util.concurrent;
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class CountDownLatch {
   
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
        //设置同步状态
        Sync(int count) {
            setState(count);
        }
        //获取同步状态的值
        int getCount() {
            return getState();
        }
        //获取共享锁,1、getState>1返回1:表示获取到共享锁,-1:表示没有获取到共享锁
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }
        //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;
                //通过CAS设置同步状态值,如果设置失败则说明同一时刻有其它线程在设置,但是会通过自旋的方式最终设置成功
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }
    }

初始化阶段:找到它的构造函数,来瞄一眼!

    private final Sync sync;

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

首先从构造函数出发,初始化变量,CountDownLatch使用了一个内部类Sync来实现CountDownLatch的同步控制,而Sync是AQS的一个实现类,它使用AQS的状态(state)来表示count。

public class CountDownLatch {
    /**
     * Synchronization control For CountDownLatch.
     * Uses AQS state to represent count.
     */
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

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

        int getCount() {
            return getState();
        }
    private volatile int state;

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

设置状态变量state,其中state是一个volatile关键字,可用来保证可见性,不懂volatile可以看看这篇博客:多线程进阶——狂神说java之JUC并发编程,里面详细介绍了volatile的作用!

由上面可知实际上是把计数器的值赋值给了AQS的state,也就是这里AQS的状态值来表示计数器值。

3.1、【await】方法源码分析(阻塞流程分析,获取锁)

接下来主要看一下CountDownLatch中几个重要的方法内部是如何调用AQS来实现功能的。

获取一个共享模式锁,如果发生中断则异常终止。如何实现的呢?

首先会检查中断的状态,可能会重复的阻塞和解阻塞,执行 tryAcquireShared 直到成功或者线程被中断。

①:首先判断当前线程是否被标记为中断状态,如果被标记为中断状态,则抛出“InterruptedException”异常,并清除中断标志;否则到第二步;

②:执行【tryAcquireShared】来尝试获取锁,如果成功,则返回true退出方法;否则执行到第③步;

③:执行【doAcquireSharedInterruptibly】

    public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    //AQS获取共享资源时,该方法是响应中断的
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        //如果线程中断则抛出异常
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        //tryAcquireShared(arg)是AQS提供的模板方法
        //尝试看当前计数器值是否为0,为0则直接返回,否则进入AQS的等待队列
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

 //尝试看当前计数器值是否为0,为0则表示获取到共享锁,阻塞的等待的线程将会被唤醒      
 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
       return (getState() == 0) ? 1 : -1;
  }

分析源码可知:

如果当前的count=0,那么方法会立即返回,并且返回值为true。

如果当前的count>0,则当前线程因为线程调度而不可用,并且处于休眠状态(进入了AQS的 doAcquireSharedInterruptibly方法让当前线程休眠),直到发生下面两件事之一:

①:由countDown方法的调用当前的count=0,如果count=0,则这个方法将返回true。

②:其它线程中断了当前的线程,如果当前线程在进入这个方法时设置了中断状态,或者当前线程在等待时被设置了中断状态,那么“InterruptedException”异常将会抛出,并且当前线程的中断状态会被清除。

接下来我们瞅瞅【doAcquireSharedInterruptibly方法如何实现让当前线程休眠的!

①:创建一个共享模式的节点,并将这个节点加入到等待队列中。

②:获取新创建好的节点的前驱节点。如果前驱节点是head节点,则说明当前节点是队列中第一个等待获取锁的节点,那么就执行【 tryAcquireShared 】方法尝试获取共享锁。 tryAcquireShared 是由 CountDownLatch 重写的方法。假如 获取共享锁失败,进入步骤③。

③:如果前驱节点不是head节点,或者当前节点获取共享锁失败(即步骤②),那么执行【 shouldParkAfterFailedAcquire 】方法,该方法如果获取共享锁失败,则会阻塞挂起当前线程。接着执行【 parkAndCheckInterrupt 】方法,该方法会将当前线程挂起,直到被唤醒,这样做可以避免线程无限循环获取不到锁,从而造成CPU资源的浪费!

友情提示:

在这个逻辑代码中使用了大量的 CAS来进行原子性修改,当修改失败的时候,则会通过for(;;)——自旋锁来保证在多线程并发的情况下,队列节点状态也是正确的,最终使得当前节点状态为,要么获取共享锁成功,要么挂起等待被唤醒!

我们对阻塞情况下,涉及的方法进一步展开【addWaiter】

根据给的的模式创建当前线程的节点,并将创建好的节点入队(加入到等待队列的尾部)。

首先在队列非空的情况下会尝试一次快速入队,也就是通过尝试一次CAS操作入队,如果CAS操作失败,则调用【enq】方法进行“自旋+CAS”方法将创建好的节点加入到队列尾部!

【enq】:使用CAS+自旋的方式插入节点到等待队列,如果等待队列为空,则初始化队列。

初始化队列:怎么初始化呢?首先创建一个空节点,将head和tail都指向这个节点。然后才是将我们待插入的节点插入,即:emptyNode->newNode,head指向emptyNode,tail指向newNode。

【tryAcquireShared】

这个方法总是被线程执行获取共享锁时被调用。如果这个方法报告失败,那么会使进入这个方法的线程排队等待,如果线程还没有入队的话,直到其它线程发出释放的信号。默认实现抛出一个“UnsupportedOperationException”异常!

【shouldParkAfterFailedAcquire】该方法如果获取共享锁失败,则会阻塞挂起当前线程。接着执行【parkAndCheckInterrupt】方法,该方法会将当前线程挂起(LockSupport.park),直到被唤醒,这样做可以避免线程无限循环获取不到锁,从而造成CPU资源的浪费!

    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        //只有当当前节点状态为Singal才返回true
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true;
        if (ws > 0) {
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

我们对shouldParkAfterFailedAcquire分析下,首先获取到当前节点的状态,翻看源码可知,有四个状态,如下:

线程已经被取消
static final int CANCELLED =  1;
线程需要去被唤醒
static final int SIGNAL    = -1;
线程正在唤醒等待条件
static final int CONDITION = -2; 
//线程的共享锁应该被无条件传播
static final int PROPAGATE = -3;

shouldParkAfterFailedAcquire是位于无限for循环内的,这一点需要注意一般每个节点都会经历两次循环后然后被阻塞。建议读者试着走一遍,以加深理解 ,当该函数返回true时 线程调用parkAndCheckInterrupt这个阻塞自身。到这里基本每个调用await函数都阻塞在这里 (很关键哦,应为下次唤醒,从这里开始执行哦)

    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }
    public static void park(Object blocker) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        UNSAFE.park(false, 0L);
        setBlocker(t, null);
    }

public native void park(boolean var1, long var2);

3.2、LockSupport的park openjdk源码分析

进入LockSupport的park方法,可以发现它是调用了Unsafe的park方法,这是一个本地native方法,只能通过openjdk的源码看看其本地实现了。 

类中定义了一个int类型的_counter变量,可以先执行unpark后执行park,就是通过这个变量实现,看park方法的实现代码(由于方法比较长就不整体截图了):

park方法会调用Atomic::xchg方法,这个方法会原子性的将_counter赋值为0,并返回赋值前的值。如果调用park方法前,_counter大于0,则说明之前调用过unpark方法,所以park方法直接返回。

接着往下看:

实际上Parker类用Posix的mutex,condition来实现的阻塞唤醒。如果对mutex和condition不熟,可以简单理解为mutex就是Java里的synchronized,condition就是Object里的wait/notify操作。park方法里调用pthread_mutex_trylock方法,就相当于Java线程进入Java的同步代码块,然后再次判断_counter是否大于零,如果大于零则将_counter设置为零。最后调用pthread_mutex_unlock解锁,相当于Java执行完退出同步代码块。如果_counter不大于零,则继续往下执行pthread_cond_wait方法,实现当前线程的阻塞。

3.3、countDown()方法源码分析(释放流程分析,释放锁)

接着让我们来看看countDown这个函数的玄机吧,因为线程就是通过这个来函数来触发唤醒条件的

减少count,如果count=0,则释放所有正在等待的线程;如果当前的count>0,那么减少count。如果减少后的count=0,那么进入【doReleaseShared】方法,使得所有正在等待的线程因为线程调度的原因被重写启用。如果当前的count值已经为0,那么什么都不会发生!

//调用countDown()释放同步状态,每次调用同步状态值-1
 public void countDown() {
       sync.releaseShared(1);
 }

public final boolean releaseShared(int arg) {
        //tryReleaseShared方法必须保证同步状态线程安全释放,一般是通过CAS和循环来实现
        if (tryReleaseShared(arg)) {
           //唤醒后续处于等待的节点
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // Decrement count; signal when transition to zero
            for (;;) {//自旋锁
                int c = getState();
                //在并发情况下,可能已经被其他线程修改为0,则直接返回false
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))//CAS自旋减一
                    return nextc == 0;//next为0返回true
            }
        }
    }

【doReleaseShared】开始唤醒后续需要等待被唤醒的线程

//释放共享锁,通知后续节点,主要是唤醒调用了await方法的线程(一般为主线程)
private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;//获取头节点
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                //SIGNAL为-1,后继节点的线程处于等待状态,当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消,将会通知后继节点
                if (ws == Node.SIGNAL) { //头结点的状态为Node.SIGNAL
                    //将头结点的状态值设置为0
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);//这里唤醒后继节点
                }
                //WaitStatus为0的时候表示为初始状态,设置当前节点为-3,表示线程的共享锁应该被无条件传播
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
           //如果h还是指向头结点,说明没有其他节点对头结点进行修改
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

只有当在最后一个执行 countDown()方法的线程时,才会进入在doReleaseShared()方法中,其大致的逻辑如下:

1、判断head节点不为null,且不为tail节点,说明等待队列中有等待唤醒的线程,在等待队列中,头结点中并没有保存正在等待的线程,其只是一个空的Node节点,真正等待的线程是从头结点的下一个节点开始排队等待的。

2、在判断等待队列中有正在等待的线程之后,将头结点的状态信息置为初始状态0,并且调用 unparkSuccessor(Node)方法唤醒后继节点,使后继节点可以尝试去获取共享锁。(重点)

3、如果头结点的的 waitStatus为0此时为初始状态 ,则将头结点的 waitStatus设置为为-3,表示下一次同步状态的获取将会无条件的传播下去。

4、头结点没有被其他线程修改,则跳出循环。

下面瞅瞅【unparkSuccessor】函数是如何唤醒后继节点的

private void unparkSuccessor(Node node) {
       
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        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);//唤醒线程(解锁的过程)
    }

当调用了【LockSupport.unpark(s.thread)】操作后,等待队列中的第一个等待的线程就会重新启动。流程回到【doAcquireSharedInterruptibly】让当前线程休眠的方法!这里,线程从阻塞状态进行恢复

第一个释放的线程从【parkAndCheckInterrupt】方法中的【LockSupport.park】挂起结束,继续后面的流程,因为此时是正常的被唤醒流程,线程并没有设置中断标志,因此【parkAndCheckInterrupt】会返回false。流程重新开始循环。执行到大框中,获取共享锁成功。接着通过【setHeadAndPropagate】将当前节点设置为头结点并进行广播。然后将旧的head节点的next置为null,heap GC,结束方法调用返回true。

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; // Record old head for check below
        setHead(node);//设置Head为头结点
    
        //如果走到了setHeadAndPropagate方法,那么propagate的值一定大于1,if条件成立
        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;
            if (s == null || s.isShared())
                doReleaseShared();//进入这里
        }
    }

这个函数相信你不陌生吧,就是第一个释放锁所调用的,在这里,被唤醒的线程再调一次,来释放后继节点

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);//唤醒后续等待被唤醒的线程
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
           //明白这里为什么要加一次判断了吧!!!,被唤醒的线程会在执行该函数
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

现在明白其唤醒机制了吧 先唤醒一个线程(第一个阻塞的线程) 然后被唤醒的线程又会执行到这里唤醒线程,如此重复下去
最终所有线程都会被唤醒, 其实这也是AQS共享锁的唤醒原理,自此完成了对countDownLatch阻塞和唤醒原理的基本分析。

3.4、countDown()执行流程和await()执行流程

【unparkSuccessor】方法

    private void unparkSuccessor(Node node) {
      
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        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);
    }

3.5、LockSupport的unpark openjdk源码分析

进入LockSupport的unpark方法,可以发现它是调用了Unsafe的unpark方法,这是一个本地native方法,只能通过openjdk的源码看看其本地实现了。 

图中的1和4就相当于Java的进入synchronized和退出synchronized的加锁解锁操作,代码2将_counter设置为1,同时判断先前_counter的值是否小于1,即这段代码:if(s<1)。如果不小于1,则就不会有线程被park,所以方法直接执行完毕,否则就会执行代码3,来唤醒被阻塞的线程。

4、总结:

当调用【countDownLatch.countDown()】方法,进入【releaseShared】尝试去释放锁,释放锁条件是:会获取到当前count计数器值进行-1操作,如果count-1不等于0,则返回false,表示我现在还不能释放锁,当count-1等于0,则返回true,进入【doReleaseShared】方法表示我要去释放锁啦!最终调用Logsupport.unpark方法去唤醒被park挂起在AQS等待队列中的线程。

当调用【countDownLatch.await()】方法,进入【tryAcquireShared】方法去获取count计数器的值,如果不为0,则返回上层函数true,执行【doAcquireSharedInterruptibly】这个方法还会再次尝试去获取锁一次,获取失败执行【shouldParkAfterFailedAcquire && parkAndCheckInterrupt】阻塞当前线程!最终调用LockSupport.park方法挂起在AQS的等待队列中;如果调用【tryAcquireShared】方法获取的count计数器值为0,则返回上层函数false,不执行任何逻辑!

被挂起在AQS的等待队列中的线程在Logsupport.unpark方法唤醒时候,会自旋尝试去释放锁,判断count值为0,则调用【doReleaseShared】方法进入【unparkSuccessor】方法,最终执行LockSupport.unpark唤醒AQS中等待被唤醒的线程。

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