AQS-CountDownLatch&CyclicBarrier&Semaphore

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• AQS-CountDownLatch&CyclicBarrier&Semaphore
• • CountDownLatch
  • • 源码分析
  • Semaphore
  • • 源码分析
  • CyclicBarrier
  • • 源码分析

CountDownLatch

CountDownLatch是JUC包下的一个基于AQS实现的并发工具类，利用他可以实现类似计数器的功能，比如有一个任务A，他要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现

简单使用demo：

public static void main(String[] args) throws Exception{
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            try {
                System.out.println("线程一执行中。。。。");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("线程一执行完成。");
                countDownLatch.countDown();
            }catch (Exception e){
            }
        },"t1");
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            try {
                System.out.println("线程二执行中。。。。");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("线程二执行完成。");
                countDownLatch.countDown();
            }catch (Exception e){
            }
        },"t2");
        thread1.start();
        thread2.start();
        countDownLatch.await();
        System.out.println("----------线程一二执行完成，继续执行主线程");
    }

执行结果：

CountDownLatch中最重要的三个方法：

public void countDown() {
     };  //将count值减1
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
     };  //和await()类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
public void await() throws InterruptedException {
     };   //调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行

源码分析

构造方法：

传入计数大小，并且实例化同步器

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

同步器实现：

// 基于AQS实现
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
    Sync(int count) {
        setState(count);
    }
    int getCount() {
        return getState();
    }
    // 获取共享锁
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return (getState() == 0) ? 1 : -1;
    }
    // 释放共享锁
    protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
        // Decrement count; signal when transition to zero
        for (;;) {
            int c = getState();
            if (c == 0)
                return false;
            int nextc = c-1;
            if (compareAndSetState(c, nextc))
                return nextc == 0;
        }
    }
}

await方法：

public void await() throws InterruptedException {
        // await方法就是可中断的获取共享锁
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return (getState() == 0) ? 1 : -1;// getState中获取的state，state是我们传入的count，即count != 0返回-1
    }
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
    // 返回-1后就会将其线程封装为节点链接到等待队列中，自旋获取共享锁
    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

countDown方法

public void countDown() {
        // countDown方法其实就是释放共享锁
        sync.releaseShared(1);
    }

Semaphore

Semaphore是和CountDownLatch一样，也是JUC包下的并发工具类，他可以控制并发访问资源的线程数通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 8;            //工人数
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Worker(i,semaphore).start();
    }
    static class Worker extends Thread{
        private int num;
        private Semaphore semaphore;
        public Worker(int num,Semaphore semaphore){
            this.num = num;
            this.semaphore = semaphore;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人"+this.num+"占用一个机器在生产...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("工人"+this.num+"释放出机器");
                semaphore.release();           
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

执行结果：

工人0占用一个机器在生产...
工人1占用一个机器在生产...
工人2占用一个机器在生产...
工人4占用一个机器在生产...
工人5占用一个机器在生产...
工人0释放出机器
工人2释放出机器
工人3占用一个机器在生产...
工人7占用一个机器在生产...
工人4释放出机器
工人5释放出机器
工人1释放出机器
工人6占用一个机器在生产...
工人3释放出机器
工人7释放出机器
工人6释放出机器

源码分析

构造方法：

public Semaphore(int permits) {
        // 直接传入许可证数目
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        // 传入许可证加是否是公平锁的标志，等待时间越久的越先获取许可
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

获取许可：

public void acquire() throws InterruptedException {
        // 获取共享锁
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
        FairSync(int permits) {
            super(permits);
        }
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                // 等待队列该线程前面有节点在等待，阻塞
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                // 无线程等待，许可证减少
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }
    }

释放许可证

public void release() {
        sync.releaseShared(1);
    }
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
        protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // 当前许可加上释放的许可，CAS更新后返回true
            for (;;) {
                int current = getState();
                int next = current + releases;
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;
            }
        }

CyclicBarrier

通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用。我们暂且把这个状态就叫做barrier，当调用await()方法之后，线程就处于barrier了。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Writer(barrier).start();
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      //以睡眠来模拟写入数据操作
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
        }
    }
}

结果：

线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...

CountDownLatch 可以实现多个线程的协调，在所有指定线程完成任务后，主线程才继续任务，但是CountDownLatch 有个缺点就是，不可重用，每次都需要创建新的CountDownLatch 实例

源码分析

构造方法

当parties个线程准备就绪后即都调用await方法后，执行barrierAction

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

准备就绪后，啥事不干

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

await方法

有一个我们常用的方法 await，还有一个内部类，Generation ，仅有一个参数，有什么作用呢？

在 CyclicBarrier 中，有一个 “代” 的概念，因为 CyclicBarrier 是可以复用的，那么每次所有的线程通过了栅栏，就表示一代过去了，就像我们的新年一样。当所有人跨过了元旦，日历就更新了。

CyclicBarrier 支持在所有线程通过栅栏的时候，执行一个线程的任务。

private int dowait(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
           TimeoutException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 锁住
    lock.lock();
    try {
        // 当前代
        final Generation g = generation;
        // 如果这代损坏了，抛出异常
        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();
        // 如果线程中断了，抛出异常
        if (Thread.interrupted()) {
            // 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();
        }
        // 获取下标    
        int index = --count;
        // 如果是 0 ,说明到头了
        if (index == 0) {
      // tripped
            boolean ranAction = false;
            try {
                final Runnable command = barrierCommand;
                // 执行栅栏任务
                if (command != null)
                    command.run();
                ranAction = true;
                // 更新一代,将 count 重置,将 generation 重置.
                // 唤醒之前等待的线程
                nextGeneration();
                // 结束
                return 0;
            } finally {
                // 如果执行栅栏任务的时候失败了,就将栅栏失效
                if (!ranAction)
                    breakBarrier();
            }
        }
        for (;;) {
            try {
                // 如果没有时间限制,则直接等待,直到被唤醒
                if (!timed)
                    trip.await();
                // 如果有时间限制,则等待指定时间
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                // g == generation >> 当前代
                // ! g.broken >>> 没有损坏
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    // 让栅栏失效
                    breakBarrier();
                    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执行逻辑.所以,就打个标记就好了
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
            // 当有任何一个线程中断了,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 >>> 正常换代了
            // 一切正常,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();
    }
}