【Java多线程】并发工具之CountDownLatch

转载自 https://www.cnblogs.com/jinggod/p/8492067.html

前言

JDK中为了处理线程之间的同步问题，除了提供锁机制之外，还提供了几个非常有用的并发工具类：CountDownLatch、CyclicBarrier、Semphore、Exchanger、Phaser；
CountDownLatch、CyclicBarrier、Semphore、Phaser 这四个工具类提供一种并发流程的控制手段；而Exchanger工具类则提供了在线程之间交换数据的一种手段。

简介

CountDownLatch 允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。单词Latch的意思是“门闩”，所以没有打开时，N个人是不能进入屋内的，也就是N个线程是不能往下执行的，从而控制线程执行任务的时机，使线程以“组团”的方式一起执行任务。
CountDownLatch 类在创建时，给定一个计数count。线程调用CountDownLatch 对象的awiat( )方法时，判断这个计数count是否为0，如果不为0，就进入等待状态。其他线程在完成一定任务时，调用CountDownLatch 的countDown（）方法，使计数count减一。直到count的值等于0或者少于0时，便是等待线程的运行时机，将会继续往下运行。

CountDownLatch的API接口

方法名称	描述
void await()	使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断。
boolean await(long timeout, TimeUnit unit)	使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待，除非线程被中断或超出了指定的等待时间。
void countDown()	递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程。
long getCount()	返回当前计数。
String toString()	返回标识此锁存器及其状态的字符串。

注意： await（）也可以被多个线程同时调用，从而实现多个线程等待其他的多个线程完成某部分操作。

下面是API文档介绍的两个经典用法：

@ Example1：

Driver类中创建了一组worker 线程，所有的worker线程必须等待Driver类完成初始化动作，才能往下运行。完成初始化动作后，Driver类也必须等待所有worker线程完成才能结束。本例子中使用了两个CountDownLatch类：

startSignal是一个启动信号，在 driver 为继续执行 worker 做好准备之前，它会阻止所有的 worker 继续执行。

doneSignal是一个完成信号，它允许 driver 在完成所有 worker 之前一直等待。

class Driver { // ...
   void main() throws InterruptedException {
     CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
     CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);

     for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads
       new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();

     doSomethingElse();            // don't let run yet
     startSignal.countDown();      // let all threads proceed
     doSomethingElse();
     doneSignal.await();           // wait for all to finish
   }
 }

 class Worker implements Runnable {
   private final CountDownLatch startSignal;
   private final CountDownLatch doneSignal;
   Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {
      this.startSignal = startSignal;
      this.doneSignal = doneSignal;
   }
   public void run() {
      try {
        startSignal.await();
        doWork();
        doneSignal.countDown();
} catch (InterruptedException ex) {} // return;
   }

   void doWork() { ... }
 }

@ Example2：另一种典型用法是，将一个问题分成 N 个部分（N个小任务）,然后将这些任务Runnable交由线程池来完成，每个子任务执行完成，就计数一次，主线程则等待这些子任务完成。当所有的子部分完成后，主线程就能够通过 await。（当线程必须用这种方法反复倒计数时，可改为使用 CyclicBarrier。）

  class Driver2 { // ...
   void main() throws InterruptedException {
     CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);
     Executor e = ...

     for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads
       e.execute(new WorkerRunnable(doneSignal, i));

     doneSignal.await();           // wait for all to finish
   }
 }

 class WorkerRunnable implements Runnable {
   private final CountDownLatch doneSignal;
   private final int i;
   WorkerRunnable(CountDownLatch doneSignal, int i) {
      this.doneSignal = doneSignal;
      this.i = i;
   }
   public void run() {
      try {
        doWork(i);
        doneSignal.countDown();
      } catch (InterruptedException ex) {} // return;
   }

   void doWork() { ... }
 }

下面的内容是转载自并发编程网 – ifeve.com，文章地址：

并发工具类（一）等待多线程完成的CountDownLatch

应用场景

假如有这样一个需求，当我们需要解析一个Excel里多个sheet的数据时，可以考虑使用多线程，每个线程解析一个sheet里的数据，等到所有的sheet都解析完之后，程序需要提示解析完成。在这个需求中，要实现主线程等待所有线程完成sheet的解析操作，最简单的做法是使用join。代码如下：

public class JoinCountDownLatchTest { 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread parser1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
            }
        });

        Thread parser2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
                System.out.println("parser2 finish");
            }
        });

        parser1.start();
        parser2.start();
        parser1.join();
        parser2.join();
        System.out.println("all parser finish");
    }
}

join用于让当前执行线程等待join线程执行结束。其实现原理是不停检查join线程是否存活，如果join线程存活则让当前线程永远wait，代码片段如下，wait(0)表示永远等待下去。

while (isAlive()) {
    wait(0);
}

直到join线程中止后，线程的this.notifyAll会被调用，调用notifyAll是在JVM里实现的，所以JDK里看不到，有兴趣的同学可以看看JVM源码。JDK不推荐在线程实例上使用wait，notify和notifyAll方法。

而在JDK1.5之后的并发包中提供的CountDownLatch也可以实现join的这个功能，并且比join的功能更多。

public class CountDownLatchTest {

    static CountDownLatch c = new CountDownLatch(2);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(1);
                c.countDown();
                System.out.println(2);
                c.countDown();
            }
        }).start();

        c.await();
        System.out.println("3");
    }

}

CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器，如果你想等待N个点完成，这里就传入N。

当我们调用一次CountDownLatch的countDown方法时，N就会减1，CountDownLatch的await会阻塞当前线程，直到N变成零。由于countDown方法可以用在任何地方，所以这里说的N个点，可以是N个线程，也可以是1个线程里的N个执行步骤。用在多个线程时，你只需要把这个CountDownLatch的引用传递到线程里。

其他方法：

如果有某个解析sheet的线程处理的比较慢，我们不可能让主线程一直等待，所以我们可以使用另外一个带指定时间的await方法，await(long time, TimeUnit unit): 这个方法等待特定时间后，就会不再阻塞当前线程。join也有类似的方法。

注意：

计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是零，调用await方法时不会阻塞当前线程。CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数器的值。
一个线程调用countDown方法 happen-before 另外一个线程调用await方法。

CountDownLatch 的源码分析

最后，我们简单看一下 CountDownLatch是怎么实现的：

public class CountDownLatch {
    private final Sync sync;

    public CountDownLatch(int count) {//构造器
         //count少于0将抛出异常
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
    }

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

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

在创建countDownLatch，其构造器里面创建了一个sync类，并且await()、countDown方法都是都是通过此类来实现的。

    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

        Sync(int count) {
          //设置state的值为countDownLatch的计数的数目
            setState(count);
        }

        int getCount() {
            return getState();
        }

        //如果state值为0.也就是计数完成了，就不可以再获取共享锁，这也是为什么CountLatch只能用一次
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }
       
       //是否可以释放共享锁
        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; //状态state减一
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;//计数到0了，表示释放锁成功。
            }
        }
    }

与大部分的并发工具类一样，都是继承使用了JDK提供的强大的AQS框架类AbstractQueuedSynchronizer，而且使用的还是共享锁，共享锁能允许线程进入的线程数目，就是CountDownLatch传入的参数。