CountDownLatch应用&源码分析

CountDownLatch介绍

CountDownLatch就是JUC包下的一个工具，整个工具最核心的功能就是计数器。

如果有三个业务需要并发处理，并且需要知道三个业务全部都处理完毕了。
需要一个并发安全的计数器来操作，CountDownLatch就可以实现。

给CountDownLatch设置一个数值，可以设置为3。

每个业务处理完毕之后，执行一次countDown方法，指定的3每次在执行countDown方法时，对3进行-1。

主线程可以在业务处理时，执行await，主线程会阻塞等待任务处理完毕。

当设置的3基于countDown方法减为0之后，主线程就会被唤醒，继续处理后续业务。

Java并发编程之JUC并发工具_System

当咱们的业务中，出现2个以上允许并行处理的任务，并且需要在任务都处理完毕后，再做其他处理时，可以采用CountDownLatch去实现这个功能。

CountDownLatch应用

模拟有三个任务需要并行处理，在三个任务全部处理完毕后，再执行后续操作
CountDownLatch中，执行countDown方法，代表一个任务结束，对计数器 - 1
执行await方法，代表等待计数器变为0时，再继续执行
执行await(time,unit)方法，代表等待time时长，如果计数器不为0，返回false，如果在等待期间，计数器为0，方法就返回true
一般CountDownLatch更多的是基于业务去构建，不采用成员变量。

public class CountDownLatchTest {
    static ThreadPoolExecutor executor = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(3);

    static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);

    private static void a() {
        System.out.println("A任务开始");
        sleep(1000);
        System.out.println("A任务结束");
        countDownLatch.countDown();
    }

    private static void b() {
        System.out.println("B任务开始");
        sleep(1500);
        System.out.println("B任务结束");
        countDownLatch.countDown();
    }

    private static void c() {
        System.out.println("C任务开始");
        sleep(2000);
        System.out.println("C任务结束");
        countDownLatch.countDown();
    }

    private static void sleep(long timeout) {
        try {
            Thread.sleep(timeout);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("主业务开始执行");
        sleep(1000);
        executor.execute(CountDownLatchTest::a);
        executor.execute(CountDownLatchTest::b);
        executor.execute(CountDownLatchTest::c);
        System.out.println("三个任务并行执行,主业务线程等待");
        // 死等任务结束
        countDownLatch.await();
        // 如果在规定时间内，任务没有结束，返回false
        if (countDownLatch.await(10, TimeUnit.SECONDS)) {
            System.out.println("三个任务处理完毕，主业务线程继续执行");
        } else {
            System.out.println("三个任务没有全部处理完毕，执行其他的操作");
        }
    }
}
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运行结果：

主业务开始执行
A任务开始
B任务开始
三个任务并行执行,主业务线程等待
C任务开始
A任务结束
B任务结束
C任务结束
三个任务处理完毕，主业务线程继续执行
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CountDownLatch源码分析

保证CountDownLatch就是一个计数器，没有什么特殊的功能，查看源码也只是计数器实现的方式

发现CountDownLatch的内部类Sync继承了AQS，CountDownLatch就是基于AQS实现的计数器。
AQS就是一个state属性，以及AQS双向链表
猜测计数器的数值实现就是基于state去玩的。
主线程阻塞的方式，也是阻塞在了AQS双向链表中。

有参构造

就是构建内部类Sync，并且给AQS中的state赋值

await方法

await方法就时判断当前CountDownLatch中的state是否为0，如果为0，直接正常执行后续任务
如果不为0，以共享锁的方式，插入到AQS的双向链表，并且挂起线程

代码略

countDown方法

countDown方法本质就是对state - 1，如果state - 1后变为0，需要去AQS的链表中唤醒挂起的节点

CyclicBarrier应用&源码分析

CyclicBarrier介绍

CyclicBarrier，就是代表循环屏障

Barrier屏障：让一个或多个线程达到一个屏障点，会被阻塞。屏障点会有一个数值，当达到一个线程阻塞在屏障点时，就会对屏障点的数值进行-1操作，当屏障点数值减为0时，屏障就会打开，唤醒所有阻塞在屏障点的线程。在释放屏障点之后，可以先执行一个任务，再让所有阻塞被唤醒的线程继续之后后续任务。

Cyclic循环：所有线程被释放后，屏障点的数值可以再次被重置。
CyclicBarrier一般被称为栅栏。
CyclicBarrier是一种同步机制，允许一组线程互相等待。现成的达到屏障点其实是基于await方法在屏障点阻塞。

CyclicBarrier并没有基于AQS实现，他是基于ReentrantLock锁的机制去实现了对屏障点–，以及线程挂起的操作。(CountDownLatch本身是基于AQS，对state进行release操作后，可以-1)

CyclicBarrier没来一个线程执行await，都会对屏障数值进行-1操作，每次-1后，立即查看数值是否为0，如果为0，直接唤醒所有的互相等待线程。

CyclicBarrier对比CountDownLatch区别

  • 底层实现不同。CyclicBarrier基于ReentrantLock做的。CountDownLatch直接基于AQS做的。
  • 应用场景不同。CountDownLatch的计数器只能使用一次。而CyclicBarrier在计数器达到0之后，可以重置计数器。CyclicBarrier可以实现相比CountDownLatch更复杂的业务，执行业务时出现了错误，可以重置CyclicBarrier计数器，再次执行一次。
  • CyclicBarrier还提供了很多其他的功能：
  • 可以获取到阻塞的线程有多少；
  • 在线程互相等待时，如果有等待的线程中断，可以抛出异常，避免无限等待的问题。
  • CountDownLatch一般是让主线程等待，让子线程对计数器–。CyclicBarrier更多的让子线程也一起计数和等待 时出现了错误，可以重置CyclicBarrier计数器，再次执行一次。

CyclicBarrier：多个线程互相等待，直到到达同一个同步点，再一次执行。

CyclicBarrier应用

出国旅游。
导游小姐姐需要等待所有乘客都到位后，发送护照，签证等等文件，再一起出发
比如Tom，Jack，Rose三个人组个团出门旅游

在构建CyclicBarrier可以指定barrierAction，可以选择性指定，如果指定了，那么会在barrier归0后，优先执行barrierAction任务，然后再去唤醒所有阻塞挂起的线程，并行去处理后续任务。

所有互相等待的线程，可以指定等待时间，并且在等待的过程中，如果有线程中断，所有互相的等待的线程都会被唤醒。
如果在等待期间，有线程中断了，唤醒所有线程后，CyclicBarrier无法继续使用。
如果线程中断后，需要继续使用当前的CyclicBarrier，需要调用reset方法，让CyclicBarrier重置。
如果CyclicBarrier的屏障数值到达0之后，他默认会重置屏障数值，CyclicBarrier在没有线程中断时，是可以重复使用的。

public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("等到各位大佬都到位之后，分发护照和签证等内容！");
        });

        new Thread(() -> {
            System.out.println("Tom到位！！！");
            try {
                barrier.await();
            } catch (Exception e) {
                System.out.println("悲剧，人没到齐！");
                return;
            }
            System.out.println("Tom出发！！！");
        }).start();
        Thread.sleep(100);
        new Thread(() -> {
            System.out.println("Jack到位！！！");
            try {
                barrier.await();
            } catch (Exception e) {
                System.out.println("悲剧，人没到齐！");
                return;
            }
            System.out.println("Jack出发！！！");
        }).start();
        Thread.sleep(100);
        new Thread(() -> {
            System.out.println("Rose到位！！！");
            try {
                barrier.await();
            } catch (Exception e) {
                System.out.println("悲剧，人没到齐！");
                return;
            }
            System.out.println("Rose出发！！！");
        }).start();
    }
}
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运行结果：

Tom到位！！！
Jack到位！！！
Rose到位！！！
等到各位大佬都到位之后，分发护照和签证等内容！
Rose出发！！！
Tom出发！！！
Jack出发！！！
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CyclicBarrier源码分析
CyclicBarrier的核心属性

分成两块内容去查看，首先查看CyclicBarrier的一些核心属性，然后再查看CyclicBarrier的核心方法

// 这个静态内部类是用来标记是否中断的
private static class Generation {
    boolean broken = false;
}

/** CyclicBarrier是基于ReentrantLock实现的互斥操作，以及计数原子性操作 */
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** 基于当前的Condition实现线程的挂起和唤醒 */
private final Condition trip = lock.newCondition();
/** 记录有参构造传入的屏障数值，不会对这个数值做操作 */
private final int parties;
/** 当屏障数值达到0之后，优先执行当前任务 */
private final Runnable barrierCommand;
/** 初始化默认的Generation，用来标记线程中断情况 */
private Generation generation = new Generation();
/** 每来一个线程等待，就对count进行-- */
private int count;
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CyclicBarrier的有参构造

掌握构建CyclicBarrier之后，内部属性的情况

// 这个是CyclicBarrier的有参构造
// 在内部传入了parties，屏障点的数值
// 还传入了barrierAction，屏障点的数值达到0，优先执行barrierAction任务
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
	// 健壮性判
	if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
	// 当前类中的属性parties是保存屏障点数值的
	this.parties = parties;
	// 将parties赋值给属性count，每来一个线程，继续count做-1操作。
	this.count = parties;
	// 优先执行的任务
	this.barrierCommand = barrierAction;
}
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CyclicBarrier中的await方法

在CyclicBarrier中，提供了2个await方法

  • 第一个是无参的方式，线程要死等，直到屏障点数值为0，或者有线程中断；
  • 第二个是有参方式，传入等待的时间，要么时间到位了，要不就是直屏障点数值为0，或者有线程中断

无论是哪种await方法，核心都在于内部调用的dowait方法
dowait方法主要包含了线程互相等待的逻辑，以及屏障点数值到达0之后的操作

Semaphone应用&源码分析

Semaphore介绍

sync、ReentrantLock是互斥锁，保证一个资源同一时间只允许被一个线程访问

Semaphore(信号量)保证1个或多个资源可以被指定数量的线程同时访问
底层实现是基于AQS去做的。

Semaphore底层也是基于AQS的state属性做一个计数器的维护。state的值就代表当前共享资源的个数。如果一个线程需要获取的1或多个资源，直接查看state的标识的资源个数是否足够，如果足够的，直接对state - 1拿到当前资源。如果资源不够，当前线程就需要挂起等待。知道持有资源的线程释放资源后，会归还给Semaphore中的state属性，挂起的线程就可以被唤醒。

Semaphore也分为公平和非公平的概念。

使用场景：连接池对象就可以基础信号量去实现管理。在一些流量控制上，也可以采用信号量去实现。再比如去迪士尼或者是环球影城，每天接受的人流量是固定的，指定一个具体的人流量，可能接受10000人，每有一个人购票后，就对信号量进行–操作，如果信号量已经达到了0，或者是资源不足，此时就不能买票。

Semaphore应用

以上面环球影城每日人流量为例子去测试一下。

public class SemaphoreTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 今天环球影城还有的人流量
        Semaphore semaphore = new Semaphore(10);

        new Thread(() -> {
            System.out.println("一家三口要去~~");
            try {
                semaphore.acquire(3);
                System.out.println("一家三口进去了~~~");
                Thread.sleep(10000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println("一家三口走了~~~");
                semaphore.release(3);
            }
        }).start();

        for (int i = 0; i < 7; i++) {
            int j = i;
            new Thread(() -> {
                System.out.println(j + "大哥来了。");
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(j + "大哥进去了~~~");
                    Thread.sleep(10000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    System.out.println(j + "大哥走了~~~");
                    semaphore.release();
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(10);

        System.out.println("main大哥来了。");
        if (semaphore.tryAcquire()) {
            System.out.println("main大哥进来了。");
        } else {
            System.out.println("资源不够，main大哥进来了");
        }
        Thread.sleep(10000);

        System.out.println("main大哥又来了。");
        if (semaphore.tryAcquire()) {
            System.out.println("main大哥进来了。");
            semaphore.release();
        } else {
            System.out.println("资源不够，main大哥进来了。");
        }
    }
}
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运行结果：

一家三口要去~~
一家三口进去了~~~
0大哥来了。
2大哥来了。
2大哥进去了~~~
1大哥来了。
0大哥进去了~~~
4大哥来了。
4大哥进去了~~~
1大哥进去了~~~
3大哥来了。
3大哥进去了~~~
5大哥来了。
5大哥进去了~~~
6大哥来了。
6大哥进去了~~~
main大哥来了。
资源不够，main大哥进来了
3大哥走了~~~
6大哥走了~~~
5大哥走了~~~
一家三口走了~~~
4大哥走了~~~
0大哥走了~~~
1大哥走了~~~
2大哥走了~~~
main大哥又来了。
main大哥进来了。
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其实Semaphore整体就是对构建Semaphore时，指定的资源数的获取和释放操作：
获取资源方式：

  • acquire()：获取一个资源，没有资源就挂起等待，如果中断，直接抛异常
  • acquire(int)：获取指定个数资源，资源不够，或者没有资源就挂起等待，如果中断，直接抛异常
  • tryAcquire()：获取一个资源，没有资源返回false，有资源返回true
  • tryAcquire(int)：获取指定个数资源，没有资源返回false，有资源返回true
  • tryAcquire(time,unit)：获取一个资源，如果没有资源，等待time.unit，如果还没有，就返回false
  • tryAcquire(int，time, unit)：获取指定个数资源，如果没有资源，等待time.unit，如果还没有，就返回false
  • acquireUninterruptibly()：获取一个资源，没有资源就挂起等待，中断线程不结束，继续等
  • acquireUninterruptibly(int)：获取指定个数资源，没有资源就挂起等待，中断线程不结束，继续等

归还资源方式：

  • release()：归还一个资源
  • release(int)：归还指定个数资源
Semaphore源码分析

先查看Semaphore的整体结构，然后基于获取资源，以及归还资源的方式去查看源码

Semaphore的整体结构

Semaphore内部有3个静态内部类。
首先是向上抽取的Sync
其次还有两个Sync的子类NonFairSync以及FairSync两个静态内部类
Sync内部主要提供了一些公共的方法，并且将有参构造传入的资源个数，直接基于AQS提供setState方法设置了state属性。
NonFairSync以及FairSync区别就是tryAcquireShared方法的实现是不一样。

Semaphore的非公平的获取资源

在构建Semaphore的时候，如果只设置资源个数，默认情况下是非公平。
如果在构建Semaphore，传入了资源个数以及一个boolean时，可以选择非公平还是公平。

public Semaphore(int permits, boolean fair) {
	sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
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从非公平的acquire方法入手
首先确认默认获取资源数是1个，并且acquire是允许中断线程时，抛出异常的。获取资源的方式，就是直接用state - 需要的资源数，只要资源足够，就CAS的将state做修改。如果没有拿到锁资源，就基于共享锁的方式去将当前线程挂起在AQS双向链表中。如果基于doAcquireSharedInterruptibly拿锁成功，会做一个事情。会执行setHeadAndPropagate方法。

acquire()以及acquire(int)的方式，都是执行acquireSharedInterruptibly方法去尝试获取资源，区别只在于是否传入了需要获取的资源个数。

tryAcquire()以及tryAcquire(int因为这两种方法是直接执行tryAcquire， 只使用非公平的实现，只有非公平的情况下，才有可能在有线程排队的时候获取到资源

但是tryAcquire(int,time,unit)这种方法是正常走的AQS提供的acquire。因为这个tryAcquire可以排队一会，即便是公平锁也有可能拿到资源。这里的挂起和acquire挂起的区别仅仅是挂起的时间问题。

  • acquire是一直挂起直到线程中断，或者线程被唤醒。
  • tryAcquire(int,time,unit)是挂起一段时间，直到线程中断，要么线程被唤醒，要么阻塞时间到了

还有acquireUninterruptibly()以及acquireUninterruptibly(int)只是在挂起线程后，不会因为线程的中断而去抛出异常

代码略

Semaphore公平实现

公平与非公平只是差了一个方法的实现tryAcquireShared实现
这个方法的实现中，如果是公平实现，需要先查看AQS中排队的情况

代码略

Semaphore释放资源

因为信号量从头到尾都是共享锁的实现……
释放资源操作，不区分公平和非公平

AQS中PROPAGATE节点

为了更好的了解PROPAGATE节点状态的意义，优先从JDK1.5去分析一下释放资源以及排队后获取资源的后置操作

掌握JDK1.5-Semaphore执行流程图

首先查看4个线程获取信号量资源的情况

Java并发编程之JUC并发工具_System_02

往下查看释放资源的过程会触发什么问题

首先t1释放资源，做了进一步处理

Java并发编程之JUC并发工具_System_03

当线程3获取锁资源后，线程2再次释放资源，因为执行点问题，导致线程4无法被唤醒

分析JDK1.8的变化

Java并发编程之JUC并发工具_源码分析_04

代码略