CountDownLatch和Atomic原子操作类源码分析

本篇内容主要讲解“CountDownLatch和Atomic原子操作类源码分析”，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习“CountDownLatch和Atomic原子操作类源码分析”吧!

引导语

本小节和大家一起来看看 CountDownLatch 和 Atomic 打头的原子操作类，CountDownLatch 的源码非常少，看起来比较简单，但 CountDownLatch 的实际应用却不是很容易；Atomic 原子操作类就比较好理解和应用，接下来我们分别来看一下。

1、CountDownLatch

CountDownLatch 中文有的叫做计数器，也有翻译为计数锁，其最大的作用不是为了加锁，而是通过计数达到等待的功能，主要有两种形式的等待：

• 让一组线程在全部启动完成之后，再一起执行（先启动的线程需要阻塞等待后启动的线程，直到一组线程全部都启动完成后，再一起执行）；

• 主线程等待另外一组线程都执行完成之后，再继续执行。

我们会举一个示例来演示这两种情况，但在这之前，我们先来看看 CountDownLatch 的底层源码实现，这样就会清晰一点，不然一开始就来看示例，估计很难理解。

CountDownLatch 有两个比较重要的 api，分别是 await 和 countDown，管理着线程能否获得锁和锁的释放（也可以称为对 state 的计数增加和减少）。

1.1、await

await 我们可以叫做等待，也可以叫做加锁，有两种不同入参的方法，源码如下：

public void await() throws InterruptedException {    sync.acquireSharedInterruptibly(1);}// 带有超时时间的，最终都会转化成毫秒public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)    throws InterruptedException {    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));}

两个方法底层使用的都是 sync，sync 是一个同步器，是 CountDownLatch 的内部类实现的，如下：

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}

可以看出来 Sync 继承了 AbstractQueuedSynchronizer，具备了同步器的通用功能。

无参 await 底层使用的是 acquireSharedInterruptibly 方法，有参的使用的是 tryAcquireSharedNanos 方法，这两个方法都是 AQS 的方法，底层实现很相似，主要分成两步：

使用子类的 tryAcquireShared 方法尝试获得锁，如果获取了锁直接返回，获取不到锁走 2；

获取不到锁，用 node 封装一下当前线程，追加到同步队列的尾部，等待在合适的时机去获得锁。

第二步是 AQS 已经实现了，第一步 tryAcquireShared 方法是交给 Sync 实现的，源码如下：

// 如果当前同步器的状态是 0 的话，表示可获得锁protected int tryAcquireShared(int acquires) {    return (getState() == 0) ? 1 : -1;}

获得锁的代码也很简单，直接根据同步器的 state 字段来进行判断，但还是有两点需要注意一下：

获得锁时，state 的值不会发生变化，像 ReentrantLock 在获得锁时，会把 state + 1，但 CountDownLatch 不会；

CountDownLatch 的 state 并不是 AQS 的默认值 0，而是可以赋值的，是在 CountDownLatch 初始化的时候赋值的，

代码如下：

// 初始化,count 代表 state 的初始化值public CountDownLatch(int count) {    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");    // new Sync 底层代码是 state = count;    this.sync = new Sync(count);}

这里的初始化的 count 和一般的锁意义不太一样，count 表示我们希望等待的线程数，在两种不同的等待场景中，count 有不同的含义：

让一组线程在全部启动完成之后，再一起执行的等待场景下， count 代表一组线程的个数；

主线程等待另外一组线程都执行完成之后，再继续执行的等待场景下，count 代表一组线程的个数。

所以我们可以把 count 看做我们希望等待的一组线程的个数，可能我们是等待一组线程全部启动完成，可能我们是等待一组线程全部执行完成。

1.2、countDown

countDown 中文翻译为倒计时，每调用一次，都会使 state 减一，底层调用的方法如下：

public void countDown() {    sync.releaseShared(1);}

releaseShared 是 AQS 定义的方法，方法主要分成两步：

尝试释放锁（tryReleaseShared），锁释放失败直接返回，释放成功走2 

释放当前节点的后置等待节点。

第二步 AQS 已经实现了，第一步是 Sync 实现的，我们一起来看下 tryReleaseShared 方法的实现源码：

// 对 state 进行递减，直到 state 变成 0；// state 递减为 0 时，返回 true，其余返回 falseprotected boolean tryReleaseShared(int releases) {    // 自旋保证 CAS 一定可以成功    for (;;) {        int c = getState();        // state 已经是 0 了，直接返回 false        if (c == 0)            return false;        // 对 state 进行递减        int nextc = c-1;        if (compareAndSetState(c, nextc))            return nextc == 0;    }}

从源码中可以看到，只有到 count 递减到 0 时，countDown 才会返回 true。

1.3、示例

看完 CountDownLatch 两个重要 API 后，我们来实现文章开头说的两个功能：

让一组线程在全部启动完成之后，再一起执行；

主线程等待另外一组线程都执行完成之后，再继续执行。

代码在 CountDownLatchDemo 类中，大家可以调试看看，源码如下：

public class CountDownLatchDemo {   // 线程任务  class Worker implements Runnable {    // 定义计数锁用来实现功能 1    private final CountDownLatch startSignal;    // 定义计数锁用来实现功能 2    private final CountDownLatch doneSignal;     Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {      this.startSignal = startSignal;      this.doneSignal = doneSignal;    }// 子线程做的事情    public void run() {      try {        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" begin");        // await 时有两点需要注意：await 时 state 不会发生变化，2：startSignal 的state初始化是 1，所以所有子线程都是获取不到锁的，都需要到同步队列中去等待，达到先启动的子线程等待后面启动的子线程的结果        startSignal.await();        doWork();        // countDown 每次会使 state 减一，doneSignal 初始化为 9，countDown 前 8 次执行都会返回 false (releaseShared 方法)，执行第 9 次时，state 递减为 0，会 countDown 成功，表示所有子线程都执行完了，会释放 await 在 doneSignal 上的主线程        doneSignal.countDown();        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" end");      } catch (InterruptedException ex) {      } // return;    }     void doWork() throws InterruptedException {      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"sleep 5s …………");      Thread.sleep(5000l);    }  }   @Test  public void test() throws InterruptedException {    // state 初始化为 1 很关键，子线程是不断的 await，await 时 state 是不会变化的，并且发现 state 都是 1，所有线程都获取不到锁    // 造成所有线程都到同步队列中去等待，当主线程执行 countDown 时，就会一起把等待的线程给释放掉    CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);    // state 初始化成 9，表示有 9 个子线程执行完成之后，会唤醒主线程    CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(9);     for (int i = 0; i < 9; ++i) // create and start threads    {      new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();    }    System.out.println("main thread begin");    // 这行代码唤醒 9 个子线程，开始执行(因为 startSignal 锁的状态是 1，所以调用一次 countDown 方法就可以释放9个等待的子线程)    startSignal.countDown();    // 这行代码使主线程陷入沉睡，等待 9 个子线程执行完成之后才会继续执行(就是等待子线程执行 doneSignal.countDown())    doneSignal.await();               System.out.println("main thread end");  }}执行结果：Thread-0 beginThread-1 beginThread-2 beginThread-3 beginThread-4 beginThread-5 beginThread-6 beginThread-7 beginThread-8 beginmain thread beginThread-0sleep 5s …………Thread-1sleep 5s …………Thread-4sleep 5s …………Thread-3sleep 5s …………Thread-2sleep 5s …………Thread-8sleep 5s …………Thread-7sleep 5s …………Thread-6sleep 5s …………Thread-5sleep 5s …………Thread-0 endThread-1 endThread-4 endThread-3 endThread-2 endThread-8 endThread-7 endThread-6 endThread-5 endmain thread end

从执行结果中，可以看出已经实现了以上两个功能，实现比较绕，大家可以根据注释，debug 看一看。

2、Atomic 原子操作类

Atomic 打头的原子操作类有很多，涉及到 Java 常用的数字类型的，基本都有相应的 Atomic 原子操作类，如下图所示：

Atomic 打头的原子操作类，在高并发场景下，都是线程安全的，我们可以放心使用。

我们以 AtomicInteger 为例子，来看下主要的底层实现：

private volatile int value;// 初始化public AtomicInteger(int initialValue) {    value = initialValue;}// 得到当前值public final int get() {    return value;}// 自增 1，并返回自增之前的值    public final int getAndIncrement() {    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);}// 自减 1，并返回自增之前的值    public final int getAndDecrement() {    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);}

 从源码中，我们可以看到，线程安全的操作方法，底层都是使用 unsafe 方法实现，以上几个 unsafe 方法不是使用 Java 实现的，都是线程安全的。

AtomicInteger 是对 int 类型的值进行自增自减，那如果 Atomic 的对象是个自定义类怎么办呢，Java 也提供了自定义对象的原子操作类，叫做 AtomicReference。AtomicReference 类可操作的对象是个泛型，所以支持自定义类，其底层是没有自增方法的，操作的方法可以作为函数入参传递，源码如下：

// 对 x 执行 accumulatorFunction 操作// accumulatorFunction 是个函数，可以自定义想做的事情// 返回老值public final V getAndAccumulate(V x,                                BinaryOperator<V> accumulatorFunction) {    // prev 是老值，next 是新值    V prev, next;    // 自旋 + CAS 保证一定可以替换老值    do {        prev = get();        // 执行自定义操作        next = accumulatorFunction.apply(prev, x);    } while (!compareAndSet(prev, next));    return prev;}

到此，相信大家对“CountDownLatch和Atomic原子操作类源码分析”有了更深的了解，不妨来实际操作一番吧！这里是编程网网站，更多相关内容可以进入相关频道进行查询，关注我们，继续学习！