多线程高并发编程(5) -- CountDownLatch、CyclicBarrier源码分析

一.CountDownLatch

　　1.概念

    public CountDownLatch(int count) {//初始化

        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");

        this.sync = new Sync(count);

    }

　　CountDownLatch是一个同步工具类，用来协调多个线程之间的同步，或者说起到线程之间的通信（而不是用作互斥的作用）。

　　CountDownLatch能够使一个线程在等待另外一些线程完成各自工作之后，再继续执行。使用一个计数器进行实现。计数器初始值为线程的数量。当每一个线程完成自己任务后，计数器的值就会减一。当计数器的值为0时，表示所有的线程都已经完成一些任务，然后在CountDownLatch上等待的线程就可以恢复执行接下来的任务。

　　下面有A、B、C、D4个线程同时执行，A是主线程，B、C、D是子线程，A先开始执行后阻塞，等待子线程全部执行结束才继续执行剩下的任务。

　　2.用法

　　1）、某一线程在开始运行前等待n个线程执行完毕。将CountDownLatch的计数器初始化为new CountDownLatch(n)，每当一个任务线程执行完毕，就将计数器减1 countdownLatch.countDown()，当计数器的值变为0时，在CountDownLatch上await()的线程就会被唤醒。一个典型应用场景就是启动一个服务时，主线程需要等待多个组件加载完毕，之后再继续执行。

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);

        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

        for (int i = 0; i < 3; i++) {

            Runnable runnable = new Runnable() {

                @Override

                public void run() {

                    try {

                        System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");

                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

                        System.out.println("子线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完成");

                        latch.countDown();//当前线程调用此方法，则计数减一

                    } catch (InterruptedException e) {

                        e.printStackTrace();

                    }

                }

            };

            service.execute(runnable);

        }

        try {

            System.out.println("主线程"+Thread.currentThread().getName()+"等待子线程执行完成...");

            latch.await();//阻塞当前线程，直到计数器的值为0

            System.out.println("主线程"+Thread.currentThread().getName()+"开始执行...");

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

结果：

主线程main等待子线程执行完成...
子线程pool-1-thread-1开始执行
子线程pool-1-thread-3开始执行
子线程pool-1-thread-2开始执行
子线程pool-1-thread-3执行完成
子线程pool-1-thread-1执行完成
子线程pool-1-thread-2执行完成
主线程main开始执行...

　　2）、实现多个线程开始执行任务的最大并行性。注意是并行性，不是并发，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。做法是初始化一个共享的CountDownLatch(1)，将其计算器初始化为1，多个线程在开始执行任务前首先countdownlatch.await()，当主线程调用countDown()时，计数器变为0，多个线程同时被唤醒。

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

        final CountDownLatch cdOrder = new CountDownLatch(1);

        final CountDownLatch cdAnswer = new CountDownLatch(4);

        for (int i = 0; i < 4; i++) {

            Runnable runnable = new Runnable() {

                @Override

                public void run() {

                    try {

                        System.out.println("选手" + Thread.currentThread().getName() + "正在等待裁判发布口令");

                        cdOrder.await();

                        System.out.println("选手" + Thread.currentThread().getName() + "已接受裁判口令");

                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

                        System.out.println("选手" + Thread.currentThread().getName() + "到达终点");

                        cdAnswer.countDown();

                    } catch (InterruptedException e) {

                        e.printStackTrace();

                    }

                }

            };

            service.execute(runnable);

        }

        try {

            Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

            System.out.println("裁判"+Thread.currentThread().getName()+"即将发布口令");

            cdOrder.countDown();

            System.out.println("裁判"+Thread.currentThread().getName()+"已发送口令，正在等待所有选手到达终点");

            cdAnswer.await();

            System.out.println("所有选手都到达终点");

            System.out.println("裁判"+Thread.currentThread().getName()+"汇总成绩排名");

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        }

        service.shutdown();

    }

结果:

选手pool-1-thread-2正在等待裁判发布口令
选手pool-1-thread-1正在等待裁判发布口令
选手pool-1-thread-3正在等待裁判发布口令
选手pool-1-thread-4正在等待裁判发布口令
裁判main即将发布口令
裁判main已发送口令，正在等待所有选手到达终点
选手pool-1-thread-2已接受裁判口令
选手pool-1-thread-1已接受裁判口令
选手pool-1-thread-3已接受裁判口令
选手pool-1-thread-4已接受裁判口令
选手pool-1-thread-2到达终点
选手pool-1-thread-1到达终点
选手pool-1-thread-4到达终点
选手pool-1-thread-3到达终点
所有选手都到达终点
裁判main汇总成绩排名

　　3.countDown解析

　　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。如果当前计数大于零，则将计数减少.

    public void countDown() {

        sync.releaseShared(1);

    }

　　countDown调用AQS的releaseShared

    public final boolean releaseShared(int arg) {

        if (tryReleaseShared(arg)) {//数量为0

            doReleaseShared();//唤醒其他等待线程

            return true;

        }

        return false;

    }

    protected boolean tryReleaseShared(int arg) {//releaseShared调用，由CountDownLatch的内部类Sync实现

        throw new UnsupportedOperationException();

    }

    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {//CountDownLatch的内部类Sync

        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {

            for (;;) {//自旋，count不断-1，直到为0则发起唤醒信号

                int c = getState();//获得数量，在CountDownLatch(int count)初始化时定义了数量

                if (c == 0)//数量为0则返回false

                    return false;

                int nextc = c-1;//数量-1

                //CAS更新状态，nextc为0返回true

                if (compareAndSetState(c, nextc))

                    return nextc == 0;

            }

        }

    }

　　4.await解析

　　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。如果当前计数为零，则唤醒阻塞线程。

　　如果当前计数大于零，则出于线程调度目的，将禁用当前线程，该线程将一直出于休眠状态；

public void await() throws InterruptedException {

        sync.acquireSharedInterruptibly(1);//由AQS实现

    }

    /**

     * Acquires in shared mode, aborting if interrupted.  Implemented

     * by first checking interrupt status, then invoking at least once

     * {@link #tryAcquireShared}, returning on success.  Otherwise the

     * thread is queued, possibly repeatedly blocking and unblocking,

     * invoking {@link #tryAcquireShared} until success or the thread

     * is interrupted.

     * 以共享模式获取，如果中断被中止。

     * 实现首先检查中断状态，然后至少调用一次tryacquirered，成功返回。

     * 否则,线程排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，

     * 调用tryacquiremred直到成功或线程被打断了。

     */

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)

            throws InterruptedException {

        if (Thread.interrupted())//有中断抛出异常

            throw new InterruptedException();

        if (tryAcquireShared(arg) < 0)//CountDownLatch的Sync实现，计数数量不为0，表示有线程需要阻塞

            doAcquireSharedInterruptibly(arg);

    }

    protected int tryAcquireShared(int acquires) {

        return (getState() == 0) ? 1 : -1;

    }

    //以共享中断模式获取

    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)

        throws InterruptedException {

        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//创建当前线程的节点，并且锁的模型是共享锁，将其添加到AQS CLH队列的末尾

        boolean failed = true;

        try {

            for (;;) {//自旋

                final Node p = node.predecessor();//获得当前节点的前驱节点

                if (p == head) {//是头节点，没有等待节点

                    int r = tryAcquireShared(arg);

                    if (r >= 0) {//子线程都执行完成了，原先阻塞线程唤醒执行

                        setHeadAndPropagate(node, r);

                        p.next = null; // help GC

                        failed = false;

                        return;

                    }

                }

                //前继节点非head节点，没资源获取，将前继节点状态设置为SIGNAL，通过park挂起node节点的线程

                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                    parkAndCheckInterrupt())

                    throw new InterruptedException();

            }

        } finally {

            if (failed)

                cancelAcquire(node);//结束该节点线程的请求

        }

    }

二.CyclicBarrier

　　1.概念

    public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {//初始化

        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();

        this.parties = parties;

        this.count = parties;

        this.barrierCommand = barrierAction;

    }

    public CyclicBarrier(int parties) {//初始化

        this(parties, null);

    }

　　允许一组线程全部等待彼此达到共同屏障点的同步辅助。循环阻塞在涉及固定大小的线程方的程序中很有用，这些线程必须偶尔等待彼此。屏障被称为循环，因为它可以在等待的线程被释放之后重新使用。

　　A CyclicBarrier支持一个可选的Runnable命令，每个屏障点运行一次，在派对中的最后一个线程到达之后，但在任何线程释放之前。在任何一方继续进行之前，此屏障操作对更新共享状态很有用。

　　CyclicBarrier当计数减少到0时，会唤醒所有阻塞在同一个Condition上的线程，与CountDownLatch不同的是所有的线程必须同时被唤醒，就好比钓鱼比赛，所有人必须同时开始抛竿一样。CountDownLatch只要求主线程的动作在其他依赖的线程执行完之后执行就OK。

　　下面有A、B、C、D4个线程同时执行，每个线程有任务a、b，每个线程的每个任务执行完才开始继续下个任务执行。

　　2.用法

public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {

        int count = 10;//并发线程数

        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(count);

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(count);

        int n = 1;

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

            executorService.execute(new Task(cyclicBarrier, n));

            n++;

        }

        executorService.shutdown(); // 关闭线程池

        // 判断是否所有的线程已经运行完

        while (!executorService.isTerminated()) {

            try {

                // 所有线程池中的线程执行完毕，执行后续操作

                System.out.println(" ==============is sleep============");

                Thread.sleep(10000);

                System.out.println(" ==============is wake============");

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

}

class Task implements Runnable {

    private CyclicBarrier cyclicBarrier;

    int n = 0;

    public Task(CyclicBarrier cyclicBarrier, int n) {

        this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;

        this.n = n;

    }

    @Override

    public void run() {

        try {

            System.out.println("赛马" + n + "到达栅栏前");

            cyclicBarrier.await();

            System.out.println("赛马" + n + "开始跑");

            cyclicBarrier.await();

            System.out.println("赛马" + n + "到达终点");

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}
结果：

==============is sleep============
赛马2到达栅栏前
赛马3到达栅栏前
赛马4到达栅栏前
赛马1到达栅栏前
赛马5到达栅栏前
赛马6到达栅栏前
赛马7到达栅栏前
赛马8到达栅栏前
赛马9到达栅栏前
赛马10到达栅栏前
赛马10开始跑
赛马3开始跑
赛马2开始跑
赛马4开始跑
赛马1开始跑
赛马6开始跑
赛马7开始跑
赛马5开始跑
赛马9开始跑
赛马8开始跑
赛马8到达终点
赛马2到达终点
赛马3到达终点
赛马4到达终点
赛马7到达终点
赛马10到达终点
赛马5到达终点
赛马6到达终点
赛马1到达终点
赛马9到达终点
==============is wake============

　　3.await解析

　　如果当前线程不是最后一个线程，那么它被禁用以进行线程调度，并且处于休眠状态，直到发生下列事情之一：

最后一个线程到达; 要么
一些其他线程当前线程为interrupts ; 要么
一些其他线程interrupts其他等待线程之一; 要么
一些其他线程在等待屏障时超时; 要么
其他一些线程在这个屏障上调用reset() 。

　　CyclicBarrier的原理：在CyclicBarrier的内部定义了一个Lock对象，每当一个线程调用await方法时，将拦截的线程数减1，然后判断剩余拦截数是否为初始值parties，如果不是，进入Lock对象的条件队列等待。如果是，执行barrierAction对象的Runnable方法，然后将锁的条件队列中的所有线程放入锁等待队列中，这些线程会依次的获取锁、释放锁。

        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 {

            final ReentrantLock lock = this.lock;//获锁

            lock.lock();//加锁

            try {

                //当代，每个屏障都会创建一个Generation实例

                final Generation g = generation;

                if (g.broken)//当代遭到破坏抛出异常

                    throw new BrokenBarrierException();

                if (Thread.interrupted()) {//线程中断抛出异常

                    // 将损坏状态设置为true，并通知其他阻塞在此栅栏上的线程

                    breakBarrier();

                    throw new InterruptedException();

                }

                int index = --count;//获取下标并-1

                if (index == 0) {  //最后一个线程到达了

                    boolean ranAction = false;

                    try {

                        final Runnable command = barrierCommand;

                        if (command != null)

                            command.run();//执行栅栏任务

                        ranAction = true;

                        nextGeneration();// 更新一代，将count重置，将generation重置，唤醒之前等待的线程

                        return 0;

                    } finally {

                        // 如果执行栅栏任务的时候失败了，就将损坏状态设置为true

                        if (!ranAction)

                            breakBarrier();

                    }

                }

                // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out

                for (;;) {

                    try {

                        if (!timed)//如果没有时间限制，直接等待直到被唤醒

                            trip.await();

                        else if (nanos > 0L)

                            nanos = trip.awaitNanos(nanos);//等待指定时间

                    } catch (InterruptedException ie) {

                        if (g == generation && ! g.broken) {//当代没有损坏

                            breakBarrier();//让栅栏失效

                            throw ie;

                        } else {// 上面条件不满足，说明这个线程不是这代的，就不会影响当前这代栅栏的执行，所以，就打个中断标记

                            Thread.currentThread().interrupt();

                        }

                    }

                    // 当有任何一个线程中断了，就会调用breakBarrier方法，

                    //就会唤醒其他的线程，其他线程醒来后，也要抛出异常

                    if (g.broken)

                        throw new BrokenBarrierException();

            // g != generation表示正常换代了，返回当前线程所在栅栏的下标

            // 如果 g == generation，说明还没有换代，那为什么会醒了？

            // 因为一个线程可以使用多个栅栏，当别的栅栏唤醒了这个线程，就会走到这里，所以需要判断是否是当前代。

            // 正是因为这个原因，才需要generation来保证正确。

                    if (g != generation)

                        return index;

                    // 如果有时间限制，且时间小于等于0，销毁栅栏并抛出异常

                    if (timed && nanos <= 0L) {

                        breakBarrier();

                        throw new TimeoutException();

                    }

                }

            } finally {

                lock.unlock();

            }

        }

　　dowait(boolean, long)方法的主要逻辑处理比较简单，如果该线程不是最后一个调用await方法的线程，则它会一直处于等待状态，除非发生以下情况：

最后一个线程到达，即index == 0
某个参与线程等待超时
某个参与线程被中断
调用了CyclicBarrier的reset()方法。该方法会将屏障重置为初始状态

　　在上面的源代码中，我们可能需要注意Generation 对象，在上述代码中我们总是可以看到抛出BrokenBarrierException异常，那么什么时候抛出异常呢？如果一个线程处于等待状态时，如果其他线程调用reset()，或者调用的barrier原本就是被损坏的，则抛出BrokenBarrierException异常。同时，任何线程在等待时被中断了，则其他所有线程都将抛出BrokenBarrierException异常，并将barrier置于损坏状态。

　　同时，Generation描述着CyclicBarrier的更新换代。在CyclicBarrier中，同一批线程属于同一代。当有parties个线程到达barrier之后，generation就会被更新换代。其中broken标识该当前CyclicBarrier是否已经处于中断状态。
注意事项：

CyclicBarrier使用独占锁来执行await方法，并发性可能不是很高。
如果在等待过程中，线程被中断了，就抛出异常。但如果中断的线程所对应的CyclicBarrier不是这代的，比如，在最后一次线程执行signalAll后，并且更新了这个“代”对象。在这个区间，这个线程被中断了，那么，JDK认为任务已经完成了，就不必在乎中断了，只需要打个标记。该部分源码已在dowait(boolean, long)方法中进行了注释。
如果线程被其他的CyclicBarrier唤醒了，那么g肯定等于generation，这个事件就不能return了，而是继续循环阻塞。反之，如果是当前CyclicBarrier唤醒的，就返回线程在CyclicBarrier的下标。完成了一次冲过栅栏的过程。该部分源码已在dowait(boolean, long)方法中进行了注释。

参考：

　　CyclicBarrier：https://blog.csdn.net/qq_38293564/article/details/80558157