併發程式設計之：CountDownLatch

小黑說Java發表於2021-09-06
程式設計CountDownLatch

大家好，我是小黑，一個在網際網路苟且偷生的農民工。

先問大家一個問題，在主執行緒中建立多個執行緒，在這多個執行緒被啟動之後，主執行緒需要等子執行緒執行完之後才能接著執行自己的程式碼，應該怎麼實現呢？

Thread.join()

看過我 併發程式設計之：執行緒 的朋友應該知道怎麼做，在Thread類中有一個方法join()，這個方法是一個阻塞方法，當前執行緒會等待調動join()方法的執行緒死亡之後再繼續執行。

我們通過程式碼來看看執行結果。

public class JoinDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run ~");
            });
            t.start();
            t.join();
        }
        System.out.println("main執行緒執行結束");
    }
}

從結果可以看出，main執行緒要等到所有子執行緒都執行完之後才會繼續執行，並且每一個子執行緒是按順序執行的。

我們在來看一下join()方法是如何讓主執行緒阻塞的呢？來看一下原始碼。

public final void join() throws InterruptedException {
    // 預設傳入0毫秒
    join(0);
}
// 本方法是synchronized的
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException {
        long base = System.currentTimeMillis();
        long now = 0;
        if (millis < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }
        if (millis == 0) {
            // 測試當前執行緒是否還活著
            while (isAlive()) {
                // 執行wait,當前執行緒等待
                wait(0);
            }
        } else {
            while (isAlive()) {
                long delay = millis - now;
                if (delay <= 0) {
                    break;
                }
                wait(delay);
                now = System.currentTimeMillis() - base;
            }
        }
    }

從join方法的原始碼中我們可以看到幾個重要的資訊，首先join()方法預設是等待0毫秒；join(long millis)方法是一個synchronized方法；迴圈判斷當前執行緒是否還活著。什麼意思呢？

  1. main執行緒在呼叫執行緒T的join()方法時，會先獲取T物件的鎖；
  2. 在join方法中會呼叫T物件的wait()方法等待，而wait()方法會釋放T物件的鎖，並且main執行緒在執行完wait()之後會進入阻塞狀態；
  3. 最後main執行緒在被notify喚醒之後，需要再迴圈判斷T物件是否還活著，如果還活著會再次執行wait()。

而線上程執行完run()方法之後，JVM會呼叫該執行緒的exit()方法，通過notifyAll()喚醒處於等待狀態的執行緒。

private void exit() {
    if (group != null) {
        // 終止group中的執行緒this
        group.threadTerminated(this);
        group = null;
    }
    /* Aggressively null out all reference fields: see bug 4006245 */
    target = null;
    /* Speed the release of some of these resources */
    threadLocals = null;
    inheritableThreadLocals = null;
    inheritedAccessControlContext = null;
    blocker = null;
    uncaughtExceptionHandler = null;
}

void threadTerminated(Thread t) {
    synchronized (this) {
        remove(t);

        if (nthreads == 0) {
            // 喚醒等待執行緒
            notifyAll();
        }
        if (daemon && (nthreads == 0) &&
            (nUnstartedThreads == 0) && (ngroups == 0))
        {
            destroy();
        }
    }
}

細心的話你會發現，使用Thread.join()只能做到讓一個執行緒執行完之後，做不到同時等待多個執行緒，比如我們上面的程式碼，執行緒1執行完之後才能執行執行緒2，無法做到讓執行緒1和執行緒2同時處理。

CountDownLatch

而在JUC包中的工具類CountDownLatch具備和Thread.join()方法同樣的能力，可以等待一個執行緒執行完之後再處理，並且支援同時等待多個執行緒。我們來修改一下上面Thread.join()的例子。

public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run ~");
                countDownLatch.countDown();
            });
            t.start();
        }
        countDownLatch.await();
        System.out.println("main執行緒執行結束");
    }
}

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CountDownLatch需要在建立時指定一個計數值，在子執行緒中執行完之後呼叫countDown()方法進行遞減，主執行緒的await()方法會等到值減為0之後繼續執行。

從執行結果我們可以看到，100個子執行緒並不是按順序執行的，而是隨機的。

我們通過CountDownLatch的原始碼來看一下是如何實現的。

private final Sync sync;

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

在CountDownLatch中我們看到有一個Sync變數，從上一期AQS原始碼解析內容中我們知道Sync是AQS的一個子類實現；

首先構造方法傳入的count值會作為引數賦值給Sync中的state變數。

然後我們來看一下線上程中的CountDownLath.countDown()方法會做些什麼事情。

public void countDown() {
	// 釋放共享鎖
    sync.releaseShared(1);
}
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

如果有看我上期AQS原始碼解析的同學一定很熟悉，這段程式碼就是共享鎖的解鎖過程，本質上就是對state-1。

那麼主執行緒是如何實現的等待呢？我們猜一下，應該是去判斷state有沒有減為0，如果減為0則代表所有的執行緒都執行完countDown()方法，則可以繼續執行，如果state還不等於0，則表示還有執行緒正在執行，等待就OK啦。

我們來看看原始碼，是否和我們猜想的一樣呢？

public void await() throws InterruptedException {
    // 可中斷地獲取共享鎖
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 嘗試獲取共享鎖
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        // state還不是1
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

// 獲取鎖狀態，當state減為0時，返回1
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    // 排入隊尾
    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;
                }
            }
            // 執行緒在這裡park
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

可以發現await()方法和我們昨天看到的共享鎖解鎖過程一模一樣，符合我們的猜想。

所以，CountDownLatch的底層實現也是依靠AQS來完成的，現在大家肯定對於AQS有更深刻的認識了。

區別

我們現在來對比一下Thread.join()和CountDownLatch有哪些區別：

  • Thread.join()是Thread類的一個方法，而CountDownLatch是JUC包中的一個工具類；
  • Thread.join()的實現是依靠Object的wait()和notifyAll()來完成的，而CountDownLatch是通過AQS完成的；
  • Thread.join()只支援讓一個執行緒等待，不支援同時等待多個執行緒，而CountDownLatch可以支援，所以CountDownLatch的效率要更高。

好的，本期內容就到這裡，我們下期見。

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