玩转高并发系列----JUC并发工具类（一）

最新推荐文章于 2025-10-07 10:00:51 发布

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#并发编程 #多线程

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本文深入探讨了Java并发控制中的Semaphore和CountDownLatch工具类，详细解析了它们的使用场景、工作原理及源码实现。Semaphore通过限制并发访问资源的数量实现限流，而CountDownLatch则用于等待多个线程完成特定任务后再继续执行。

在这一章节中，我将详细讲解JUC中提供的一些常用的并发工具类的使用，如CountDownLatch, Semaphore，ThreadLocal,CyclicBarrier等进行逐一讲解，并通过一行一行品源码的方式来逐步探索多线程的奥秘。

Semaphore

Semaphore就是信号量，提供了资源数量的并发访问控制，相当于可以指定n个锁，允许n个线程同时访问。利用Semaphore可以很好的做到限流。
Semaphore主要提供了两个方法acquire()获取资源和release()释放资源。

public static void main(String[] args) {
		// 定义一个拥有十个资源的信号池
        Semaphore semaphore = new Semaphore(10);
        try {
        // 请求获取一个资源：相当于获取一个锁
            semaphore.acquire();
            doSomething();
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("Thread is interrupted...");
        } finally {
         // 执行结束后，释放锁。
            semaphore.release();
        }
    }
    
    private static void doSomething() throws InterruptedException {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
    }

Semaphore的实现原理和互斥锁基本相同，通过AQS实现，AQS中的state变量作为资源总数，即Semaphore构造方法new Semaphore(n)中的n设定的为state的值。在acquire方法中对state变量做CAS减操作，减到0后，后续线程执行acquire时阻塞；在release方法中对state变量做CAS加操作。
Semaphore同互斥锁一样，内部也实现了AQS的两个子类（公平与非公平），Semaphore相当于代理类，代理执行Sync的具体逻辑。由于与互斥锁原理一致，这里不做过多的分析。

CountDownLatch

首先我们来想象一个场景：10个运动员参加100米赛跑，裁判需要等10个运动员都准备好之后才能鸣枪，开始赛跑。这个时候要怎么解决呢？

分析：想象一个10运动员是互不相干的，相当于Java中的10个线程，当他们达到起跑线并准备好后，仍然需要等其他线程到达，裁判才能鸣枪开跑。
这个时候就可以通过CountDownLatch来实现（不过更好的方式时CyclicBarrier，这里留一个彩蛋。）

CountDownLatch与Semaphore类似，也是基于AQS实现的，不过没有公平与非公平之分。

/**
*Thread-1 is ready!
*Thread-2 is ready!
*Thread-3 is ready!
*Thread-0 is ready!
*you can running
*/
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 定义一个有4个运动员的CountDownLatch
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(4);
        String prefix = "runner-";
        // 创建4个线程，相当于4个运动员
        IntStream.rangeClosed(1, 4).forEach(i-> new Task(prefix + i, latch).start());

		// 裁判阻塞等待，知道所有运动员ready
        latch.await();
        System.out.println("you can running");
    }

    private static class Task extends Thread{

        private String name;

        private CountDownLatch latch;

        public Task(String name, CountDownLatch latch){
            this.name = name;
            this.latch=  latch;
        }

        @Override
        public void run() {
        // 随机休眠一段时间，模拟运动员准备工作
            sleepRandom();
		// 准备好了，向裁判汇报，即调用countdown方法            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is ready!");
            latch.countDown();
        }
    }

前面说到，CountDownLatch也是通过AQS实现的，所以其内部也一定有一个实现的AQS的内部类Sync。先看类结构图：

看上图CountDownLatch的结构，有没有很简单。就是很简单。这里需要注意的是，引用的Sync类不再向互斥锁一样是抽象类，而是一个实体类。CountDownLatch没有公平与非公平之分。

首先分析其构造方法：直接看源码：

    public CountDownLatch(int count) {
    // 校验count值必须大于0
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        // 将count值传递给Sync对象，前面也说到，CountDownLatch相当于一个代理类，实际执行加锁和释放锁的操作都是在Sync中完成的。
        this.sync = new Sync(count);
    }
    // Sync类的构造方法
    Sync(int count) {
    // 将count值作为AQS中的state的初始值，state的大小，就是CountDownLatch中需要等待到达的线程数的大小
       setState(count);
    }

// 父类AQS中的方法，直接进行赋值操作。
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

接下来分析一下await()方法，分析await()的阻塞策略：

    public void await() throws InterruptedException {
    // 二话不说，直接交由Sync对象进行处理
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
	// Sync继承的父类AQS中的方法
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 由子类Sync实现，实际就是判断当前state变量是否等于0
        // 等于0，表示所有线程都已经到达，则返回1，不阻塞，往下执行
        // 不等于0，表示还有线程没有到达，则返回-1，进入if语句，阻塞当前线程
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
    
    // Sync中实现的方法：判断当前state变量是否等于0
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
       return (getState() == 0) ? 1 : -1;
    }
	// AQS中实现的方法
	private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        // 将当前线程封装成一个Node节点放到阻塞队列的末尾
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
            // 取出node节点的前驱节点，没有这抛出NPE
                final Node p = node.predecessor();
                // 若当前节点的前驱节点即为head节点，即当前节点是阻塞队列中的第一个节点。
                // 前文讲过，head节点不属于阻塞队列中的节点
                if (p == head) {
                // 重新获取state的值：前面介绍过，有子类Sync实现。
                // 能够走到这里，r一定是<0是，所以不会进入if语句
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                // 判断该节点是否应该阻塞，AQS中实现的方法，即判断前驱节点的waitStatus是不是等于SIGNAL。前面的博客有讲，不再赘述。
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                // 阻塞并检查线程是否被中断
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

接下来分析countdown方法

    public void countDown() {
    // 一样，直接交给Sync对象处理
        sync.releaseShared(1);
    }
    
	//AQS中的方法，用于释放共享锁
    public final boolean releaseShared(int arg) {
    // tryReleaseShared有子类Sync实现，通过CAS方法更新state变量，使其减去arg的值。
        if (tryReleaseShared(arg)) {
        // AQS中的方法，释放所有等待的线程。此处不再赘述
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
// Sync实现的方法：更新state变量
   protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
      // Decrement count; signal when transition to zero
     for (;;) {
     // 获取state变量的当前值
        int c = getState();
        // 判断c==0时，则返回false。为什么返回的false呢，state为0不是应该唤醒所有等待的线程的了嘛？
        // 你是不是有这样的疑问？
        // 此处获取到c==0，说明此时已经由其他线程将state值更新为0，而唤醒等待的线程的操作只能由最后一个执行countdown的线程完成。因此这里返回false。请看下面
        if (c == 0)
            return false;
        int nextc = c-1;
        // 通过CAS更新state的值，使其减一，若成功则返回true，该线程唤醒所有处于等待状态的线程。
        // 锁失败，则说明有其他线程更新了state值，则自旋，等待再次更新
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}