详解CountDownLatch

半夏之沫
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前言

CountDownLatch是JDK提供的同步工具，可以实现让一个线程等待其它一组线程执行完毕，然后再继续往下执行的功能。本篇文章将对CountDownLatch的内部原理进行分析。

正文

CountDownLatch内部有一个静态内部类Sync继承了AbstractQueuedSynchronizer，在CountDownLatch初始化时就会创建Sync对象，后续的功能也是依靠Sync对象实现。下面先看一下CountDownLatch的UML图。

CountDownLatch类图

CountDownLatch在初始化时会先校验传入的count值，如果小于0则抛出异常，然后再创建Sync对象。Sync的构造函数如下所示。

Sync(int count) {
    setState(count);
}

setState() 方法是AbstractQueuedSynchronizer提供的方法，其作用是设置AbstractQueuedSynchronizer的state字段的值，所以创建CountDownLatch对象后，与这个CountDownLatch对象关联的AbstractQueuedSynchronizer的state值会被设置为创建CountDownLatch对象时指定的count值。

下面再分析CountDownLatch的await() 方法，如下所示。

public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

CountDownLatch的await() 方法会调用到AbstractQueuedSynchronizer的acquireSharedInterruptibly() 方法，其实现如下。

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

AbstractQueuedSynchronizer#acquireSharedInterruptibly方法会先调用其子类Sync实现的tryAcquireShared() 方法，如果tryAcquireShared() 方法返回值小于0，则调用AbstractQueuedSynchronizer#doAcquireSharedInterruptibly() 方法将当前线程入同步队列并进入共享式阻塞状态。那么CountDownLatch的await() 方法能够共享式阻塞调用该方法的线程，关键就在于Sync实现的tryAcquireShared() 方法，其实现如下。

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

在Sync实现的tryAcquireShared() 方法中就是对state值进行判断，只要非0就会返回-1，从而让调用CountDownLatch的await() 方法的线程入同步队列并共享式阻塞，而已知CountDownLatch在初始化时会设置state的值，所以只要设置的state的值大于0，并且没有其它线程调用CountDownLatch的countDown() 方法，那么CountDownLatch的await() 方法就会共享式阻塞调用线程。

有了阻塞，就会有唤醒，下面看一下CountDownLatch的countDown() 方法。

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

在CountDownLatch的countDown() 方法中会调用AbstractQueuedSynchronizer的releaseShared() 方法，其实现如下所示。

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

AbstractQueuedSynchronizer#releaseShared方法中会先调用AbstractQueuedSynchronizer的子类Sync实现的tryReleaseShared() 方法，该方法如果返回true，就会调用AbstractQueuedSynchronizer#doReleaseShared方法来共享式唤醒线程，下面先分析一下Sync实现的tryReleaseShared() 方法，如下所示。

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (; ; ) {
        int c = getState();
        if (c == 0)
            return false;
        int nextc = c - 1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

Sync的tryReleaseShared() 方法在state减1后等于0时会返回true，也就是说在唤醒线程时，state的值为0。现在继续分析唤醒线程的AbstractQueuedSynchronizer#doReleaseShared方法，该方法会共享式的释放同步状态，然后唤醒在同步队列上共享式阻塞的线程，唤醒后的线程会先调用AbstractQueuedSynchronizer的子类实现的tryAcquireShared() 方法来共享式获取锁，如果该方法返回1，则表明共享式获取锁成功并且锁还可以继续被获取，此时唤醒的操作会传递下去。先看一下Sync的tryAcquireShared() 方法的实现。

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

上面提到，唤醒线程时，state的值为0，所以此时调用tryAcquireShared() 方法会一直返回1，则唤醒同步队列上共享式阻塞的线程的这个操作会依次传递下去，最终所有因为调用CountDownLatch的countDown() 方法而共享式阻塞在同步队列上的线程都会被唤醒。

总结

  1. CountDownLatch初始化时传入的count值必须大于等于0，当count等于0时，可以完成初始化，但是后续调用CountDownLatch的await() 方法时，不会阻塞调用线程；
  2. 通过调用CountDownLatch的await() 方法而被阻塞的线程，是共享式阻塞状态；
  3. 通过调用CountDownLatch的countDown() 方法而使count值等于0时，此时会共享式的依次唤醒所有因为调用CountDownLatch的await() 方法而共享式阻塞的线程。

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