并发编程(七)——AbstractQueuedSynchronizer 之 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 源码分析

2018/12/29 15:24
阅读数 63

这篇,我们的关注点是 AQS 最后的部分,共享模式的使用。本文先用 CountDownLatch 将共享模式说清楚,然后顺着把其他 AQS 相关的类 CyclicBarrier、Semaphore 的源码一起过一下。

CountDownLatch

CountDownLatch 这个类是比较典型的 AQS 的共享模式的使用,这是一个高频使用的类。使用方法在前面一篇文章中有介绍 并发编程(二)—— CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

使用例子

我们看下 Doug Lea 在 java doc 中给出的例子,这个例子非常实用,我们经常会写这个代码。

假设我们有 N ( N > 0 ) 个任务,那么我们会用 N 来初始化一个 CountDownLatch,然后将这个 latch 的引用传递到各个线程中,在每个线程完成了任务后,调用 latch.countDown() 代表完成了一个任务。

调用 latch.await() 的方法的线程会阻塞,直到所有的任务完成。

class Driver2 { // ...
    void main() throws InterruptedException {
        CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);
        Executor e = Executors.newFixedThreadPool(8);

        // 创建 N 个任务,提交给线程池来执行
        for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads
            e.execute(new WorkerRunnable(doneSignal, i));

        // 等待所有的任务完成,这个方法才会返回
        doneSignal.await();           // wait for all to finish
    }
}

class WorkerRunnable implements Runnable {
    private final CountDownLatch doneSignal;
    private final int i;

    WorkerRunnable(CountDownLatch doneSignal, int i) {
        this.doneSignal = doneSignal;
        this.i = i;
    }

    public void run() {
        try {
            doWork(i);
            // 这个线程的任务完成了,调用 countDown 方法
            doneSignal.countDown();
        } catch (InterruptedException ex) {
        } // return;
    }

    void doWork() { ...}
}

所以说 CountDownLatch 非常实用,我们常常会将一个比较大的任务进行拆分,然后开启多个线程来执行,等所有线程都执行完了以后,再往下执行其他操作。这里例子中,只有 main 线程调用了 await 方法。

我们再来看另一个例子,这个例子很典型,用了两个 CountDownLatch:

class Driver { // ...
    void main() throws InterruptedException {
        CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);

        for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads
            new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();

        // 这边插入一些代码,确保上面的每个线程先启动起来,才执行下面的代码。
        doSomethingElse();            // don't let run yet
        // 因为这里 N == 1,所以,只要调用一次,那么所有的 await 方法都可以通过
        startSignal.countDown();      // let all threads proceed
        doSomethingElse();
        // 等待所有任务结束
        doneSignal.await();           // wait for all to finish
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private final CountDownLatch startSignal;
    private final CountDownLatch doneSignal;

    Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {
        this.startSignal = startSignal;
        this.doneSignal = doneSignal;
    }

    public void run() {
        try {
            // 为了让所有线程同时开始任务,我们让所有线程先阻塞在这里
            // 等大家都准备好了,再打开这个门栓
            startSignal.await();
            doWork();
            doneSignal.countDown();
        } catch (InterruptedException ex) {
        } // return;
    }

    void doWork() { ...}
}

这个例子中,doneSignal 同第一个例子的使用,我们说说这里的 startSignal。N 个新开启的线程都调用了startSignal.await() 进行阻塞等待,它们阻塞在栅栏上,只有当条件满足的时候(startSignal.countDown()),它们才能同时通过这个栅栏。

如果始终只有一个线程调用 await 方法等待任务完成,那么 CountDownLatch 就会简单很多,所以之后的源码分析读者一定要在脑海中构建出这么一个场景:有 m 个线程是做任务的,有 n 个线程在某个栅栏上等待这 m 个线程做完任务,直到所有 m 个任务完成后,n 个线程同时通过栅栏。

源码分析

构造方法,需要传入一个不小于 0 的整数:

public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}
// 老套路了,内部封装一个 Sync 类继承自 AQS
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    Sync(int count) {
        // 这样就 state == count 了
        setState(count);
    }
    ...
}

先分析套路:AQS 里面的 state 是一个整数值,这边用一个 int count 参数其实初始化就是设置了这个值,所有调用了 await 方法的等待线程会挂起,然后有其他一些线程调用会做 state = state - 1 操作,当 state 减到 0 的同时,那个线程会负责唤醒调用了 await 方法的所有线程。

对于 CountDownLatch,我们仅仅需要关心两个方法,一个是 countDown() 方法,另一个是 await() 方法。countDown() 方法每次调用都会将 state 减 1,直到 state 的值为 0;而 await 是一个阻塞方法,当 state 减为 0 的时候,await 方法才会返回。await 可以被多个线程调用,读者这个时候脑子里要有个图:所有调用了 await 方法的线程阻塞在 AQS 的阻塞队列中,等待条件满足(state == 0),将线程从队列中一个个唤醒过来。

我们用以下程序来分析源码,t1 和 t2 负责调用 countDown() 方法,t3 和 t4 调用 await 方法阻塞:

 1 public class CountDownLatchDemo {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
 6 
 7         Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
 8             @Override
 9             public void run() {
10                 try {
11                     Thread.sleep(5000);
12                 } catch (InterruptedException ignore) {
13                 }
14                 // 休息 5 秒后(模拟线程工作了 5 秒),调用 countDown()
15                 latch.countDown();
16             }
17         }, "t1");
18 
19         Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
20             @Override
21             public void run() {
22                 try {
23                     Thread.sleep(10000);
24                 } catch (InterruptedException ignore) {
25                 }
26                 // 休息 10 秒后(模拟线程工作了 10 秒),调用 countDown()
27                 latch.countDown();
28             }
29         }, "t2");
30 
31         t1.start();
32         t2.start();
33 
34         Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
35             @Override
36             public void run() {
37                 try {
38                     // 阻塞,等待 state 减为 0
39                     latch.await();
40                     System.out.println("线程 t3 从 await 中返回了");
41                 } catch (InterruptedException e) {
42                     System.out.println("线程 t3 await 被中断");
43                     Thread.currentThread().interrupt();
44                 }
45             }
46         }, "t3");
47         Thread t4 = new Thread(new Runnable() {
48             @Override
49             public void run() {
50                 try {
51                     // 阻塞,等待 state 减为 0
52                     latch.await();
53                     System.out.println("线程 t4 从 await 中返回了");
54                 } catch (InterruptedException e) {
55                     System.out.println("线程 t4 await 被中断");
56                     Thread.currentThread().interrupt();
57                 }
58             }
59         }, "t4");
60 
61         t3.start();
62         t4.start();
63     }
64 }

 上述程序,大概在过了 10 秒左右的时候,会输出:

线程 t3 从 await 中返回了
线程 t4 从 await 中返回了
// 这两条输出,顺序不是绝对的
// 后面的分析,我们假设 t3 先进入阻塞队列

 

接下来,我们按照流程一步一步走:先 await 等待,然后被唤醒,await 方法返回。

首先,我们来看 await() 方法,它代表线程阻塞,等待 state 的值减为 0。

public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    // 这也是老套路了,我在第二篇的中断那一节说过了
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // t3 和 t4 调用 await 的时候,state 都大于 0。
    // 也就是说,这个 if 返回 true,然后往里看
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
// 只有当 state == 0 的时候,这个方法才会返回 1
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

从方法名我们就可以看出,这个方法是获取共享锁,并且此方法是可中断的(中断的时候抛出 InterruptedException 退出这个方法)。

 1 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
 2     throws InterruptedException {
 3     // 1. 入队
 4     final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
 5     boolean failed = true;
 6     try {
 7         for (;;) {
 8             final Node p = node.predecessor();
 9             if (p == head) {
10                 // 同上,只要 state 不等于 0,那么这个方法返回 -1
11                 int r = tryAcquireShared(arg);
12                 // r=-1时,这里if不会进入
13                 if (r >= 0) {
14                     setHeadAndPropagate(node, r);
15                     p.next = null; // help GC
16                     failed = false;
17                     return;
18                 }
19             }
20             // 2. 这和第一篇AQS里面代码一样,修改前驱节点的waitStatus 为-1,同时挂起当前线程
21             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
22                 parkAndCheckInterrupt())
23                 throw new InterruptedException();
24         }
25     } finally {
26         if (failed)
27             cancelAcquire(node);
28     }
29 }

我们来仔细分析这个方法,线程 t3 经过第 1 步 第4行 addWaiter 入队以后,我们应该可以得到这个:

由于 tryAcquireShared 这个方法会返回 -1,所以 if (r >= 0) 这个分支不会进去。到 shouldParkAfterFailedAcquire 的时候,t3 将 head 的 waitStatus 值设置为 -1,如下:

然后进入到 parkAndCheckInterrupt 的时候,t3 挂起。

我们再分析 t4 入队,t4 会将前驱节点 t3 所在节点的 waitStatus 设置为 -1,t4 入队后,应该是这样的:

然后,t4 也挂起。接下来,t3 和 t4 就等待唤醒了。

接下来,我们来看唤醒的流程,我们假设用 10 初始化 CountDownLatch。

当然,我们的例子中,其实没有 10 个线程,只有 2 个线程 t1 和 t2,只是为了让图好看些罢了。

我们再一步步看具体的流程。首先,我们看 countDown() 方法:

 1 public void countDown() {
 2     sync.releaseShared(1);
 3 }
 4 public final boolean releaseShared(int arg) {
 5     // 只有当 state 减为 0 的时候,tryReleaseShared 才返回 true
 6     // 否则只是简单的 state = state - 1 那么 countDown 方法就结束了
 7     if (tryReleaseShared(arg)) {
 8         // 唤醒 await 的线程
 9         doReleaseShared();
10         return true;
11     }
12     return false;
13 }
14 // 这个方法很简单,用自旋的方法实现 state 减 1
15 protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
16     for (;;) {
17         int c = getState();
18         if (c == 0)
19             return false;
20         int nextc = c-1;
21         //通过CAS将state的值减1,失败就不会进入return,继续for循环,直至CAS成功
22         if (compareAndSetState(c, nextc))
23             //state减到0就返回true,否则返回false
24             return nextc == 0;
25     }
26 }

countDown 方法就是每次调用都将 state 值减 1,如果 state 减到 0 了,那么就调用下面的方法进行唤醒阻塞队列中的线程:

 1 // 调用这个方法的时候,state == 0
 2 private void doReleaseShared() {
 3     for (;;) {
 4         Node h = head;
 5         if (h != null && h != tail) {
 6             int ws = h.waitStatus;
 7             // t3 入队的时候,已经将头节点的 waitStatus 设置为 Node.SIGNAL(-1) 了
 8             if (ws == Node.SIGNAL) {
 9                 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
10                     continue;            // loop to recheck cases
11                 // 就是这里,唤醒 head 的后继节点,也就是阻塞队列中的第一个节点
12                 // 在这里,也就是唤醒 t3 , t3的await()方法可以接着运行了
13                 unparkSuccessor(h);
14             }
15             else if (ws == 0 &&
16                      !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) // todo
17                 continue;                // loop on failed CAS
18         }
19         //此时 h == head 说明被唤醒的 t3线程 还没有执行到await()方法中的setHeadAndPropagate(node, r)这一步,则此时循环结束;
20         //如果执行完setHeadAndPropagate(node, r),则head就为t3了,这里的h和head就不相等,会继续循环
21         if (h == head)                   // loop if head changed
22             break;
23     }
24 }

一旦 t3 被唤醒后,我们继续回到 await 的这段代码,在第24行代码 parkAndCheckInterrupt 返回继续接着运行,我们先不考虑中断的情况:

 1 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
 2     throws InterruptedException {
 3     final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
 4     boolean failed = true;
 5     try {
 6         for (;;) {
 7             //p表示当前节点的前驱节点
 8             final Node p = node.predecessor();
 9             //此时被唤醒的是之前head的后继节点,所以此线程的前驱节点是head
10             if (p == head) {
11                 //此时state已经为0,r为1
12                 int r = tryAcquireShared(arg);
13                 if (r >= 0) {
14                     // 2. 这里将唤醒t3的后续节点t4,以此类推,t4被唤醒后,会在t4的await中唤醒t4的后续节点
15                     setHeadAndPropagate(node, r); 
16                     // 将已经唤醒的t3节点从队列中去除
17                     p.next = null; // help GC
18                     failed = false;
19                     return;
20                 }
21             }
22             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
23                 // 1. 唤醒后这个方法返回
24                 parkAndCheckInterrupt())
25                 throw new InterruptedException();
26         }
27     } finally {
28         if (failed)
29             cancelAcquire(node);
30     }
31 }

 

接下来,t3 会循环一次进到 setHeadAndPropagate(node, r) 这个方法,先把 head 给占了,然后唤醒队列中其他的线程:

 1 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
 2     Node h = head; // Record old head for check below
 3     setHead(node);
 4 
 5     // 下面说的是,唤醒当前 node 之后的节点,即 t3 已经醒了,马上唤醒 t4
 6     // 类似的,如果 t4 后面还有 t5,那么 t4 醒了以后,马上将 t5 给唤醒了
 7     if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
 8         (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
 9         Node s = node.next;
10         if (s == null || s.isShared())
11             // 又是这个方法,只是现在的 head 已经不是原来的空节点了,是 t3 的节点了
12             doReleaseShared();
13     }
14 }

 

又回到这个方法了,那么接下来,我们好好分析 doReleaseShared 这个方法,我们根据流程,头节点 head 此时是 t3 节点了:

 1 // 调用这个方法的时候,state == 0
 2 private void doReleaseShared() {
 3     for (;;) {
 4         Node h = head;
 5         if (h != null && h != tail) {
 6             int ws = h.waitStatus;
 7             // t4 将头节点(此时是 t3)的 waitStatus 设置为 Node.SIGNAL(-1) 了
 8             if (ws == Node.SIGNAL) {
 9                 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
10                     continue;            // loop to recheck cases
11                 // 就是这里,唤醒 head 的后继节点,也就是阻塞队列中的第一个节点
12                 // 在这里,也就是唤醒 t4
13                 unparkSuccessor(h);
14             }
15             else if (ws == 0 &&
16                      // 这个 CAS 失败的场景是:执行到这里的时候,刚好有一个节点入队,入队会将这个 ws 设置为 -1
17                      !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
18                 continue;                // loop on failed CAS
19         }
20         // 如果到这里的时候,前面唤醒的线程已经占领了 head,那么再循环
21         // 否则,就是 head 没变,那么退出循环,
22         // 退出循环是不是意味着阻塞队列中的其他节点就不唤醒了?当然不是,唤醒的线程之后还是会在await()方法中调用此方法接着唤醒后续节点
23         if (h == head)                   // loop if head changed
24             break;
25     }
26 }

 

总结

总的来说,CountDownLatch 就是线程入队阻塞,依次唤醒的过程

使用过程会执行以下操作:

  1.当创建一个CountDownLatch 的实例后,AQS中的state会设置一个正整数

  2.一个线程调用await(),当前线程加入到阻塞队列中,当前线程挂起

  3.一个线程调用countDown()唤醒方法,state减1,直到state被减为0时,唤醒阻塞队列中第一个等待节点中的线程

  4.第一个线程被唤醒后,当前线程继续执行await()方法,将当前线程设置为head,并在此方法中唤醒head的下一个节点,依次类推

 

CyclicBarrier

字面意思是“可重复使用的栅栏”,CyclicBarrier 相比 CountDownLatch 来说,要简单很多,其源码没有什么高深的地方,它是 ReentrantLock 和 Condition 的组合使用。看如下示意图,CyclicBarrier 和 CountDownLatch 是不是很像,只是 CyclicBarrier 可以有不止一个栅栏,因为它的栅栏(Barrier)可以重复使用(Cyclic)。

首先,CyclicBarrier 的源码实现和 CountDownLatch 大相径庭,CountDownLatch 基于 AQS 的共享模式的使用,而 CyclicBarrier 基于 Condition 来实现。

因为 CyclicBarrier 的源码相对来说简单许多,读者只要熟悉了前面关于 Condition 的分析,那么这里的源码是毫无压力的,就是几个特殊概念罢了。

废话结束,先上基本属性和构造方法,往下拉一点点,和图一起看:

 1 public class CyclicBarrier {
 2     // 我们说了,CyclicBarrier 是可以重复使用的,我们把每次从开始使用到穿过栅栏当做"一代"
 3     private static class Generation {
 4         boolean broken = false;
 5     }
 6 
 7     /** The lock for guarding barrier entry */
 8     private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 9     // CyclicBarrier 是基于 Condition 的
10     // Condition 是“条件”的意思,CyclicBarrier 的等待线程通过 barrier 的“条件”是大家都到了栅栏上
11     private final Condition trip = lock.newCondition();
12 
13     // 参与的线程数
14     private final int parties;
15 
16     // 如果设置了这个,代表越过栅栏之前,要执行相应的操作
17     private final Runnable barrierCommand;
18 
19     // 当前所处的“代”
20     private Generation generation = new Generation();
21 
22     // 还没有到栅栏的线程数,这个值初始为 parties,然后递减
23     // 还没有到栅栏的线程数 = parties - 已经到栅栏的数量
24     private int count;
25 
26     public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
27         if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
28         this.parties = parties;
29         this.count = parties;
30         this.barrierCommand = barrierAction;
31     }
32 
33     public CyclicBarrier(int parties) {
34         this(parties, null);
35     }

我用一图来描绘下 CyclicBarrier 里面的一些概念:

现在开始分析最重要的等待通过栅栏方法 await 方法:

 1 // 不带超时机制
 2 public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
 3     try {
 4         return dowait(false, 0L);
 5     } catch (TimeoutException toe) {
 6         throw new Error(toe); // cannot happen
 7     }
 8 }
 9 // 带超时机制,如果超时抛出 TimeoutException 异常
10 public int await(long timeout, TimeUnit unit)
11     throws InterruptedException,
12            BrokenBarrierException,
13            TimeoutException {
14     return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
15 }

继续往里看:

 1 private int dowait(boolean timed, long nanos)
 2         throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
 3                TimeoutException {
 4     final ReentrantLock lock = this.lock;
 5     // 先要获取到锁,然后在 finally 中要记得释放锁
 6     // 如果记得 Condition 部分的话,我们知道 condition 的 await 会释放锁,signal 的时候需要重新获取锁
 7     lock.lock();
 8     try {
 9         final Generation g = generation;
10         // 检查栅栏是否被打破,如果被打破,抛出 BrokenBarrierException 异常
11         if (g.broken)
12             throw new BrokenBarrierException();
13         // 检查中断状态,如果中断了,抛出 InterruptedException 异常
14         if (Thread.interrupted()) {
15             breakBarrier();
16             throw new InterruptedException();
17         }
18         // index 是这个 await 方法的返回值
19         // 注意到这里,这个是从 count 递减后得到的值
20         int index = --count;
21 
22         //最后一个线程到达后, 唤醒所有等待的线程,开启新的一代(设置新的generation)
23         // 如果等于 0,说明所有的线程都到栅栏上了,准备通过
24         if (index == 0) {  // tripped
25             boolean ranAction = false;
26             try {
27                 // 如果在初始化的时候,指定了通过栅栏前需要执行的操作,在这里会得到执行
28                 final Runnable command = barrierCommand;
29                 if (command != null)
30                     command.run();
31                 // 如果 ranAction 为 true,说明执行 command.run() 的时候,没有发生异常退出的情况
32                 ranAction = true;
33                 // 唤醒等待的线程,然后开启新的一代
34                 nextGeneration();
35                 return 0;
36             } finally {
37                 if (!ranAction)
38                     // 进到这里,说明执行指定操作的时候,发生了异常,那么需要打破栅栏
39                     // 之前我们说了,打破栅栏意味着唤醒所有等待的线程,设置 broken 为 true,重置 count 为 parties
40                     breakBarrier();
41             }
42         }
43 
44         // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
45         // 如果是最后一个线程调用 await,那么上面就返回了
46         // 下面的操作是给那些不是最后一个到达栅栏的线程执行的
47         for (;;) {
48             try {
49                 // 如果带有超时机制,调用带超时的 Condition 的 await 方法等待,直到最后一个线程调用 await
50                 if (!timed)
51                     //此线程会添加到Condition条件队列中,并在此阻塞
52                     trip.await();
53                 else if (nanos > 0L)
54                     nanos = trip.awaitNanos(nanos);
55             } catch (InterruptedException ie) {
56                 // 如果到这里,说明等待的线程在 await(是 Condition 的 await)的时候被中断
57                 if (g == generation && ! g.broken) {
58                     // 打破栅栏
59                     breakBarrier();
60                     // 打破栅栏后,重新抛出这个 InterruptedException 异常给外层调用的方法
61                     throw ie;
62                 } else {
63                     Thread.currentThread().interrupt();
64                 }
65             }
66 
67               // 唤醒后,检查栅栏是否是“破的”
68             if (g.broken)
69                 throw new BrokenBarrierException();
70                 
71             // 上面最后一个线程执行nextGeneration()后,generation被重写设置
72             // 我们要清楚,最后一个线程在执行完指定任务(如果有的话),会调用 nextGeneration 来开启一个新的代
73             // 然后释放掉锁,其他线程从 Condition 的 await 方法中得到锁并返回,然后到这里的时候,其实就会满足 g != generation 的,因为最后一个到达的线程已经重写设置了generation
74             if (g != generation)
75                 return index;
76 
77             // 如果醒来发现超时了,打破栅栏,抛出异常
78             if (timed && nanos <= 0L) {
79                 breakBarrier();
80                 throw new TimeoutException();
81             }
82         }
83     } finally {
84         lock.unlock();
85     }
86 }

 

我们看看怎么开启新的一代:

1 // 开启新的一代,当最后一个线程到达栅栏上的时候,调用这个方法来唤醒其他线程,同时初始化“下一代”
2 private void nextGeneration() {
3     // 首先,需要唤醒所有的在栅栏上等待的线程
4     trip.signalAll();
5     // 更新 count 的值
6     count = parties;
7     // 重新生成“新一代”
8     generation = new Generation();
9 }

 

看看怎么打破一个栅栏:

1 private void breakBarrier() {
2     // 设置状态 broken 为 true
3     generation.broken = true;
4     // 重置 count 为初始值 parties
5     count = parties;
6     // 唤醒所有已经在等待的线程
7     trip.signalAll();
8 }

 

整个过程已经很清楚了。

下面我们来看看怎么得到有多少个线程到了栅栏上,处于等待状态:

1 public int getNumberWaiting() {
2     final ReentrantLock lock = this.lock;
3     lock.lock();
4     try {
5         return parties - count;
6     } finally {
7         lock.unlock();
8     }
9 }

判断一个栅栏是否被打破了,这个很简单,直接看 broken 的值即可:

1 public boolean isBroken() {
2     final ReentrantLock lock = this.lock;
3     lock.lock();
4     try {
5         return generation.broken;
6     } finally {
7         lock.unlock();
8     }
9 }

最后,我们来看看怎么重置一个栅栏:

 1 public void reset() {
 2     final ReentrantLock lock = this.lock;
 3     lock.lock();
 4     try {
 5         breakBarrier();   // break the current generation
 6         nextGeneration(); // start a new generation
 7     } finally {
 8         lock.unlock();
 9     }
10 }

 

 

Semaphore

有了 CountDownLatch 的基础后,分析 Semaphore 会简单很多。Semaphore 是什么呢?它类似一个资源池(读者可以类比线程池),每个线程需要调用 acquire() 方法获取资源,然后才能执行,执行完后,需要 release 资源,让给其他的线程用。

套路解读:创建 Semaphore 实例的时候,需要一个参数 permits,这个基本上可以确定是设置给 AQS 的 state 的,然后每个线程调用 acquire 的时候,执行 state = state - 1,release 的时候执行 state = state + 1,当然,acquire 的时候,如果 state = 0,说明没有资源了,需要等待其他线程 release。

构造方法:

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

 这里和 ReentrantLock 类似,用了公平策略和非公平策略。

看 acquire 方法:

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public void acquireUninterruptibly() {
    sync.acquireShared(1);
}
public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}
public void acquireUninterruptibly(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireShared(permits);
}

 

这几个方法也是老套路了,大家基本都懂了吧,这边多了两个可以传参的 acquire 方法,不过大家也都懂的吧,如果我们需要一次获取超过一个的资源,会用得着这个的。

我们接下来看不抛出 InterruptedException 异常的 acquireUninterruptibly() 方法吧:

public void acquireUninterruptibly() {
    sync.acquireShared(1);
}
public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

 

前面说了,Semaphore 分公平策略和非公平策略,我们对比一下两个 tryAcquireShared 方法:

 1 // 公平策略:
 2 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 3     for (;;) {
 4         // 区别就在于是不是会先判断是否有线程在排队,然后才进行 CAS 减操作
 5         // 这个就不分析了,第一篇AQS中已经讲过
 6         if (hasQueuedPredecessors())
 7             //进入到这里说明阻塞队列中已经有线程在等着获取资源
 8             return -1;
 9         int available = getState();
10         int remaining = available - acquires;
11         //当remaining最小为0时,会CAS设置state为0,成功返回remaining
12         //当remaining小于0时,这里会直接返回remaining,这里不会执行compareAndSetState
13         if (remaining < 0 ||
14             compareAndSetState(available, remaining))
15             return remaining;
16     }
17 }
18 // 非公平策略:
19 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
20     return nonfairTryAcquireShared(acquires);
21 }
22 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
23     for (;;) {
24         int available = getState();
25         int remaining = available - acquires;
26         if (remaining < 0 ||
27             compareAndSetState(available, remaining))
28             return remaining;
29     }
30 }

我们再回到 acquireShared 方法

1 public final void acquireShared(int arg) {
2     if (tryAcquireShared(arg) < 0)
3         doAcquireShared(arg);
4 }

 

当 tryAcquireShared(arg)大于或者等于0时,获取资源成功,接着执行acquire()后面的业务代码;

当 tryAcquireShared(arg) 返回小于 0 的时候,说明 state 已经小于 0 了(没资源了),此时 acquire 不能立马拿到资源,需要进入到阻塞队列等待,即执行上面第3行代码

 1 private void doAcquireShared(int arg) {
 2     final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
 3     boolean failed = true;
 4     try {
 5         boolean interrupted = false;
 6         for (;;) {
 7             final Node p = node.predecessor();
 8             if (p == head) {
 9                 int r = tryAcquireShared(arg);
10                 if (r >= 0) {
11                     setHeadAndPropagate(node, r);
12                     p.next = null; // help GC
13                     if (interrupted)
14                         selfInterrupt();
15                     failed = false;
16                     return;
17                 }
18             }
19             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
20                 parkAndCheckInterrupt())
21                 interrupted = true;
22         }
23     } finally {
24         if (failed)
25             cancelAcquire(node);
26     }
27 }

这个方法我就不介绍了,前面有很多地方介绍过这个方法,线程挂起后等待有资源被 release 出来。接下来,我们就要看 release 的方法了:

 1 // 任务介绍,释放一个资源
 2 public void release() {
 3     sync.releaseShared(1);
 4 }
 5 public final boolean releaseShared(int arg) {
 6     if (tryReleaseShared(arg)) {
 7         doReleaseShared();
 8         return true;
 9     }
10     return false;
11 }
12 
13 protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
14     for (;;) {
15         int current = getState();
16         int next = current + releases;
17         // 溢出,当然,我们一般也不会用这么大的数
18         if (next < current) // overflow
19             throw new Error("Maximum permit count exceeded");
20     //释放资源后,将state的值又加上释放资源数
21         if (compareAndSetState(current, next))
22             return true;
23     }
24 }

 

tryReleaseShared 方法总是会返回 true,此时state的资源数已经加上了,然后是 doReleaseShared,这个也是我们熟悉的方法了,我就贴下代码,不分析了,这个方法用于唤醒所有的等待线程中的第一个等待的线程:

 1 private void doReleaseShared() {
 2     for (;;) {
 3         Node h = head;
 4         if (h != null && h != tail) {
 5             int ws = h.waitStatus;
 6             if (ws == Node.SIGNAL) {
 7                 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
 8                     continue;            // loop to recheck cases
 9                 unparkSuccessor(h);
10             }
11             else if (ws == 0 &&
12                      !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
13                 continue;                // loop on failed CAS
14         }
15         if (h == head)                   // loop if head changed
16             break;
17     }
18 }

 

第一个等待的线程被唤醒后,doReleaseShared终止,接着doAcquireShared()方法被唤醒接着运行,如果资源还够用,则唏嘘唤醒下一个等待节点,可以看到doAcquireShared()方法中第11行处 设置当前节点为head节点,并唤醒下一个等待节点

Semphore 的源码确实很简单,方法都和CountDownLatch 中差不多,基本上都是分析过的老代码的组合使用了。

 

展开阅读全文
加载中
点击引领话题📣 发布并加入讨论🔥
打赏
0 评论
0 收藏
0
分享
返回顶部
顶部