Java多线程之---用 CountDownLatch 说明 AQS 的实现原理-原创手记-慕课网

本文基于 jdk 1.8 。

CountDownLatch 的使用

前面的文章中说到了 volatile 以及用 volatile 来实现自旋锁，例如 java.util.concurrent.atomic 包下的工具类。但是 volatile 的使用场景毕竟有限，很多的情况下并不是适用，这个时候就需要 synchronized 或者各种锁实现了。今天就来说一下几种锁的实现原理。

先来看一个最简单的 CountDownLatch 使用方法，例子很简单，可以运行看一下效果。CountDownLatch 的作用是：当一个线程需要另外一个或多个线程完成后，再开始执行。比如主线程要等待一个子线程完成环境相关配置的加载工作，主线程才继续执行，就可以利用 CountDownLatch 来实现。

例如下面这个例子，首先实例化一个 CountDownLatch ，参数可以理解为一个计数器，这里为 1，然后主线程执行，调用 worker 子线程，接着调用 CountDownLatch 的 await() 方法，表示阻塞主线程。当子线程执行完成后，在 finnaly 块调用 countDown() 方法，表示一个等待已经完成，把计数器减一，直到减为 0，主线程又开始执行。

private static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        System.out.println("主线程开始......");
        Thread thread = new Thread(new Worker());
        thread.start();
        System.out.println("主线程等待......");
        System.out.println(latch.toString());
        latch.await();
        System.out.println(latch.toString());
        System.out.println("主线程继续.......");
    }    public static class Worker implements Runnable {        @Override
        public void run() {
            System.out.println("子线程任务正在执行");            try {
                Thread.sleep(2000);
            }catch (InterruptedException e){

            }finally {
                latch.countDown();
            }
        }
    }

执行结果如下：

主线程开始......
子线程任务正在执行
主线程等待......
java.util.concurrent.CountDownLatch@1d44bcfa[Count = 1]
java.util.concurrent.CountDownLatch@1d44bcfa[Count = 0]
主线程继续.......

AQS 的原理

这么好用的功能是怎么实现的呢，下面就来说一说实现它的核心技术原理 AQS。 AQS 全称 AbstractQueuedSynchronizer，是 java.util.concurrent 中提供的一种高效且可扩展的同步机制。它可以用来实现可以依赖 int 状态的同步器，获取和释放参数以及一个内部FIFO等待队列，除了CountDownLatch，ReentrantLock、Semaphore 等功能实现都使用了它。

接下来用 CountDownLatch 来分析一下 AQS 的实现。建议看文章的时候先大致看一下源码，有助于理解下面所说的内容。

在我们的方法中调用 awit()和countDown()的时候，发生了几个关键的调用关系，我画了一个方法调用图。

首先在 CountDownLatch 类内部定义了一个 Sync 内部类，这个内部类就是继承自 AbstractQueuedSynchronizer 的。并且重写了方法 tryAcquireShared和tryReleaseShared。例如当调用 awit()方法时，CountDownLatch 会调用内部类Sync 的 acquireSharedInterruptibly() 方法，然后在这个方法中会调用 tryAcquireShared 方法，这个方法就是 CountDownLatch 的内部类 Sync 里重写的 AbstractQueuedSynchronizer 的方法。调用 countDown() 方法同理。

这种方式是使用 AbstractQueuedSynchronizer 的标准化方式，大致分为两步：

1、内部持有继承自 AbstractQueuedSynchronizer 的对象 Sync；

2、并在 Sync 内重写 AbstractQueuedSynchronizer protected 的部分或全部方法，这些方法包括如下几个：

之所以要求子类重写这些方法，是为了让使用者（这里的使用者指 CountDownLatch 等）可以在其中加入自己的判断逻辑，例如 CountDownLatch 在 tryAcquireShared中加入了判断，判断 state 是否不为0，如果不为0，才符合调用条件。

tryAcquire和tryRelease是对应的，前者是独占模式获取，后者是独占模式释放。

tryAcquireShared和tryReleaseShared是对应的，前者是共享模式获取，后者是共享模式释放。

我们看到 CountDownLatch 重写的方法 tryAcquireShared 实现如下：

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

判断 state 值是否为0，为0 返回1，否则返回 -1。state 值是 AbstractQueuedSynchronizer 类中的一个 volatile 变量。

private volatile int state;

在 CountDownLatch 中这个 state 值就是计数器，在调用 await 方法的时候，将值赋给 state 。

等待线程入队

根据上面的逻辑，调用 await() 方法时，先去获取 state 的值，当计数器不为0的时候，说明还有需要等待的线程在运行，则调用 doAcquireSharedInterruptibly 方法，进来执行的第一个动作就是尝试加入等待队列，即调用 addWaiter（）方法，源码如下：

到这里就走到了 AQS 的核心部分，AQS 用内部的一个 Node 类维护一个 CHL Node FIFO 队列。将当前线程加入等待队列，并通过 parkAndCheckInterrupt（）方法实现当前线程的阻塞。下面一大部分都是在说明 CHL 队列的实现，里面用 CAS 实现队列出入不会发生阻塞。

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {        //加入等待队列                      
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);        boolean failed = true;        // 进入 CAS 循环
        try {            for (;;) {                //当一个节点(关联一个线程)进入等待队列后， 获取此节点的 prev 节点 
                final Node p = node.predecessor();                // 如果获取到的 prev 是 head，也就是队列中第一个等待线程
                if (p == head) {                    // 再次尝试申请 反应到 CountDownLatch 就是查看是否还有线程需要等待(state是否为0)
                    int r = tryAcquireShared(arg);                    // 如果 r >=0 说明 没有线程需要等待了 state==0
                    if (r >= 0) {                        //尝试将第一个线程关联的节点设置为 head 
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;                        return;
                    }
                }                //经过自旋tryAcquireShared后，state还不为0，就会到这里，第一次的时候，waitStatus是0，那么node的waitStatus就会被置为SIGNAL，第二次再走到这里，就会用LockSupport的park方法把当前线程阻塞住
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                    parkAndCheckInterrupt())                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {            if (failed)                cancelAcquire(node);
        }
    }

我看看到上面先执行了 addWaiter() 方法，就是将当前线程加入等待队列，源码如下：

/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
 static final Node SHARED = new Node(); /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
 static final Node EXCLUSIVE = null;private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);        // 尝试快速入队操作，因为大多数时候尾节点不为 null
        Node pred = tail;        if (pred != null) {
            node.prev = pred;            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;                return node;
            }
        }        //如果尾节点为空(也就是队列为空) 或者尝试CAS入队失败(由于并发原因)，进入enq方法
        enq(node);        return node;
    }

上面是向等待队列中添加等待者（waiter）的方法。首先构造一个 Node 实体，参数为当前线程和一个mode，这个mode有两种形式，一个是 SHARED ，一个是 EXCLUSIVE，请看上面的代码。然后执行下面的入队操作 addWaiter，和 enq() 方法的 else 分支操作是一样的，这里的操作如果成功了，就不用再进到 enq() 方法的循环中去了，可以提高性能。如果没有成功，再调用 enq() 方法。

private Node enq(final Node node) {        // 死循环+CAS保证所有节点都入队
        for (;;) {
            Node t = tail;            // 如果队列为空 设置一个空节点作为 head
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {                //加入队尾
                node.prev = t;                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;                    return t;
                }
            }
        }
    }

说明：循环加 CAS 操作是实现乐观锁的标准方式，CAS 是为了实现原子操作而出现的，所谓的原子操作指操作执行期间，不会受其他线程的干扰。Java 实现的 CAS 是调用 unsafe 类提供的方法，底层是调用 c++ 方法，直接操作内存，在 cpu 层面加锁，直接对内存进行操作。

上面是 AQS 等待队列入队方法，操作在无限循环中进行，如果入队成功则返回新的队尾节点，否则一直自旋，直到入队成功。假设入队的节点为 node ，上来直接进入循环，在循环中，先拿到尾节点。

1、if 分支，如果尾节点为 null，说明现在队列中还没有等待线程，则尝试 CAS 操作将头节点初始化，然后将尾节点也设置为头节点，因为初始化的时候头尾是同一个，这和 AQS 的设计实现有关， AQS 默认要有一个虚拟节点。此时，尾节点不在为空，循环继续，进入 else 分支；

2、else 分支，如果尾节点不为 null， node.prev = t ，也就是将当前尾节点设置为待入队节点的前置节点。然后又是利用 CAS 操作，将待入队的节点设置为队列的尾节点，如果 CAS 返回 false，表示未设置成功，继续循环设置，直到设置成功，接着将之前的尾节点（也就是倒数第二个节点）的 next 属性设置为当前尾节点，对应 t.next = node 语句，然后返回当前尾节点，退出循环。

setHeadAndPropagate 方法负责将自旋等待或被 LockSupport 阻塞的线程唤醒。

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {        //备份现在的 head
        Node h = head;  
        //抢到锁的线程被唤醒 将这个节点设置为head
        setHead(node)        // propagate 一般都会大于0 或者存在可被唤醒的线程
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;            // 只有一个节点 或者是共享模式 释放所有等待线程 各自尝试抢占锁
            if (s == null || s.isShared())                doReleaseShared();
        }
    }

Node 对象中有一个属性是 waitStatus ，它有四种状态，分别是：

//线程已被 cancelled ，这种状态的节点将会被忽略，并移出队列static final int CANCELLED =  1;// 表示当前线程已被挂起，并且后继节点可以尝试抢占锁static final int SIGNAL    = -1;//线程正在等待某些条件static final int CONDITION = -2;//共享模式下 无条件所有等待线程尝试抢占锁static final int PROPAGATE = -3;

等待线程被唤醒

当执行 CountDownLatch 的 countDown（）方法，将计数器减一，也就是state减一，当减到0的时候，等待队列中的线程被释放。是调用 AQS 的 releaseShared 方法来实现的，下面代码中的方法是按顺序调用的，摘到了一起，方便查看：

// AQS类public final boolean releaseShared(int arg) {        // arg 为固定值 1
        // 如果计数器state 为0 返回true，前提是调用 countDown() 之前不能已经为0
        if (tryReleaseShared(arg)) {            // 唤醒等待队列的线程
            doReleaseShared();            return true;
        }        return false;
    }// CountDownLatch 重写的方法protected boolean tryReleaseShared(int releases) {            // Decrement count; signal when transition to zero
            // 依然是循环+CAS配合 实现计数器减1
            for (;;) {                int c = getState();                if (c == 0)                    return false;                int nextc = c-1;                if (compareAndSetState(c, nextc))                    return nextc == 0;
            }
        }/// AQS类
 private void doReleaseShared() {        for (;;) {
            Node h = head;            if (h != null && h != tail) {                int ws = h.waitStatus;                // 如果节点状态为SIGNAL，则他的next节点也可以尝试被唤醒
                if (ws == Node.SIGNAL) {                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }                // 将节点状态设置为PROPAGATE，表示要向下传播，依次唤醒
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))                    continue;                // loop on failed CAS
            }            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

因为这是共享型的，当计数器为 0 后，会唤醒等待队列里的所有线程，所有调用了 await() 方法的线程都被唤醒，并发执行。这种情况对应到的场景是，有多个线程需要等待一些动作完成，比如一个线程完成初始化动作，其他5个线程都需要用到初始化的结果，那么在初始化线程调用 countDown 之前，其他5个线程都处在等待状态。一旦初始化线程调用了 countDown ，其他5个线程都被唤醒，开始执行。

总结

1、AQS 分为独占模式和共享模式，CountDownLatch 使用了它的共享模式。

2、AQS 当第一个等待线程（被包装为 Node）要入队的时候，要保证存在一个 head 节点，这个 head 节点不关联线程，也就是一个虚节点。

3、当队列中的等待节点（关联线程的，非 head 节点）抢到锁，将这个节点设置为 head 节点。

4、第一次自旋抢锁失败后，waitStatus 会被设置为 -1（SIGNAL），第二次再失败，就会被 LockSupport 阻塞挂起。

5、如果一个节点的前置节点为 SIGNAL 状态，则这个节点可以尝试抢占锁。

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