Java并发工具CountDownLatch和CyclicBarrier原理解析

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Java 并发工具CountDownLatch和CyclicBarrier 原理解析

一，简介

CountDownLatch 允许一个或者多个线程等待其他线程完成操作。

CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程达到一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续运行。

二，代码演示

CountDownLatchDemo

public class CountDownLatchDemo {

    public static final CountDownLatch count = new CountDownLatch(10);
    private static int j = 0;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            new Thread(
            ()-> {
                System.out.println("我是"+(++j));
                count.countDown();
                }
            ).start();

        }
        count.await();
        System.out.println("我是总数"+j+"！！！");
    }

}

运行结果：
我是1
我是2
我是3
我是4
我是5
我是6
我是7
我是8
我是9
我是10
我是总数10！！！

CyclicBarrierDemo

public class CyclicBarrierDemo {

    private static final CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(6,new Thread(() ->
        System.out.println("我是最后一个")
            ));

    private static AtomicInteger index = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) throws Exception, BrokenBarrierException {
        for (int i = 1; i <= 6; i ++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    c.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("我是："+(index.getAndIncrement()));
            }) .start();
        }
    }

}

运行结果：
我是最后一个
我是：1
我是：2
我是：3
我是：4
我是：5
我是：6

三，源码解析

CountDownLatch 源码

原理：

CountDownLatch 又叫做闭锁，CountDownLatch 的构造函数接受一个int类型的参数作为计数器，如果你想等待n个节点完成，那就传入N；当我们调用CountDownLatch 的countDown方法时，N就会减1，CountDownLatch的await会阻塞当前方法，直到N变成0；由于countDown方法可以用在任何地方，这里说的N个点，可以是N个线程，也可以是1一个线程里面的N个步骤。

源码：

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

// 内部类 Sync 继承AQS
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

}

    public void countDown() {
        // 调用了AQS的releaseShared方法
        sync.releaseShared(1);
    }
    // 这是Sync的tryReleaseShared 
    // AQS的releaseShared会调用子类的tryReleaseShared 用来控制count
    // tryReleaseShared 共享式的释放状态 具体参考AQS
     protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // Decrement count; signal when transition to zero
            for (;;) {
                // 获取的其实就是我们构造函数的count
                int c = getState();
                // count == 0 证明整个记录流程已经完毕了
                if (c == 0)
                    return false;
                // 减1 
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc)) cas 更新
                    return nextc == 0; // 等于0，返回ture 证明计数结束了，可以去唤醒同步队列的线程了
                                        // 唤醒是AQS的releaseShared方法
                                        // 结合CountDownLatch的await方法理解整这里 
            }
        }

    public void await() throws InterruptedException {
        // 共享式获取同步转态
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

    // 这是Sync的方法
    // await 其实是调用的AQS的acquireSharedInterruptibly 但是aqs会调用子类tryAcquireShared
    // 我们看到值有state等于0 才会返回true 成功 -1 表示失败 失败就要加入同步队列
    // 所以在countDown方法里面等于0 为什么要去唤醒 ，应为这里会进入同步队列
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
    }

通过源码我们可以发现只有当countDown 这个方法计数递减完毕，别的线程才能执行，因为调用await的线程会进入AQS的同步队列，然后阻塞。

CyclicBarrier 源码

原理：

CyclicBarrier 默认构造方法是CyclicBarrier （int parties）,器参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await告诉CyclicBarrier 我已经到达屏障了，然后当前线程被阻塞；CyclicBarrier 海提供了一个高级的构造函数，CyclicBarrier （int parties，Runnable barrierAction）,用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction线程，方便处理更复杂的业务逻辑。

源码：

public CyclicBarrier(int parties) {
        this(parties, null);
    }

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }

    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    /** Condition to wait on until tripped */
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    /** The number of parties */
    private final int parties;
    /* The command to run when tripped */
    private final Runnable barrierCommand;
    /** The current generation */
    private Generation generation = new Generation();

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 {
        // 获取锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            // 这一代的状态
            final Generation g = generation;
            // 默认为false Barrier被Broken 就会为true
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();
            // 线程被中断了，标记为breakBarrier，唤醒所有线程
            if (Thread.interrupted()) {
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }
            // 计数器减减
            int index = --count;
            // 到达 trip
            if (index == 0) {  // tripped
                boolean ranAction = false;
                try {
                    // 执行构造函数里面的线程
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    if (command != null)
                        command.run();
                    ranAction = true;
                    // 唤醒所有等待线程 然后重置
                    nextGeneration();
                    return 0;
                } finally {
                    if (!ranAction)
                        breakBarrier();
                }
            }

            // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
            // 一直自旋直到发生:tripped, broken, interrupted, timed out
            for (;;) {
                try {
                    // 带时间
                    if (!timed)
                        trip.await();
                    else if (nanos > 0L)
                        nanos = trip.awaitNanos(nanos);
                    // 自旋过程中发生中断
                } catch (InterruptedException ie) {
                    // 等于说明当前被重点的这个线程没有被broken
                    // 抛异常
                    if (g == generation && ! g.broken) { 
                        breakBarrier();
                        throw ie;
                    } else { // 不等于说明后来的线程已经broken了
                        // We're about to finish waiting even if we had not
                        // been interrupted, so this interrupt is deemed to
                        // "belong" to subsequent execution.
                        // 中断线程 breakBarrier已经没有意义了
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }

                if (g.broken) // 屏蔽Broken
                    throw new BrokenBarrierException();
                // 别的线程更新了generation 不属于当前代
                if (g != generation)
                    return index;

                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private void breakBarrier() {
        generation.broken = true;
        count = parties;
        trip.signalAll();
    }

    private void nextGeneration() {
        // signal completion of last generation
        trip.signalAll();
        // set up next generation
        count = parties;
        generation = new Generation();
    }

我们发现CyclicBarrier是所有线程一起阻塞，直到到达屏障点，然后全部唤醒一起执行。

四，总结

CountDownLatch和CyclicBarrier都可以实现一个线程等待一个或者多个线程到达一个点之后才执行，但是这一个或者多个线程的状态却是不一样的，CountDownLatch是来一个执行一个不会阻塞，直到大家执行完了，在执行调用await方法的线程，CyclicBarrier是来一个阻塞一个，直到大家都阻塞完毕，然后在优先执行构造函数里面的线程,在唤醒所有阻塞的线程；CountDownLatch的计数器只能执行一次，CyclicBarrier可以执行多次，所以CyclicBarrier可以执行复杂的业务场景。

参考 《Java 并发编程的艺术》