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CountDownLatch和Atomic原子操作類源碼解析

 更新時間:2022年03月11日 15:42:00   作者:Q.E.D  
這篇文章主要為大家介紹了CountDownLatch和Atomic原子操作類的源碼解析以及理解應用,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步

引導語

本小節(jié)和大家一起來看看 CountDownLatch 和 Atomic 打頭的原子操作類,CountDownLatch 的源碼非常少,看起來比較簡單,但 CountDownLatch 的實際應用卻不是很容易;Atomic 原子操作類就比較好理解和應用,接下來我們分別來看一下。

1、CountDownLatch

CountDownLatch 中文有的叫做計數(shù)器,也有翻譯為計數(shù)鎖,其最大的作用不是為了加鎖,而是通過計數(shù)達到等待的功能,主要有兩種形式的等待:

  • 讓一組線程在全部啟動完成之后,再一起執(zhí)行(先啟動的線程需要阻塞等待后啟動的線程,直到一組線程全部都啟動完成后,再一起執(zhí)行);
  • 主線程等待另外一組線程都執(zhí)行完成之后,再繼續(xù)執(zhí)行。

我們會舉一個示例來演示這兩種情況,但在這之前,我們先來看看 CountDownLatch 的底層源碼實現(xiàn),這樣就會清晰一點,不然一開始就來看示例,估計很難理解。

CountDownLatch 有兩個比較重要的 API,分別是 await 和 countDown,管理著線程能否獲得鎖和鎖的釋放(也可以稱為對 state 的計數(shù)增加和減少)。

1.1、await

await 我們可以叫做等待,也可以叫做加鎖,有兩種不同入?yún)⒌姆椒?,源碼如下:

public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// 帶有超時時間的,最終都會轉化成毫秒
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

兩個方法底層使用的都是 sync,sync 是一個同步器,是 CountDownLatch 的內部類實現(xiàn)的,如下:

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}

可以看出來 Sync 繼承了 AbstractQueuedSynchronizer,具備了同步器的通用功能。

無參 await 底層使用的是 acquireSharedInterruptibly 方法,有參的使用的是 tryAcquireSharedNanos 方法,這兩個方法都是 AQS 的方法,底層實現(xiàn)很相似,主要分成兩步:

1.使用子類的 tryAcquireShared 方法嘗試獲得鎖,如果獲取了鎖直接返回,獲取不到鎖走 2;

2.獲取不到鎖,用 Node 封裝一下當前線程,追加到同步隊列的尾部,等待在合適的時機去獲得鎖。

第二步是 AQS 已經(jīng)實現(xiàn)了,第一步 tryAcquireShared 方法是交給 Sync 實現(xiàn)的,源碼如下:

// 如果當前同步器的狀態(tài)是 0 的話,表示可獲得鎖
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

獲得鎖的代碼也很簡單,直接根據(jù)同步器的 state 字段來進行判斷,但還是有兩點需要注意一下:

獲得鎖時,state 的值不會發(fā)生變化,像 ReentrantLock 在獲得鎖時,會把 state + 1,但 CountDownLatch 不會;

CountDownLatch 的 state 并不是 AQS 的默認值 0,而是可以賦值的,是在 CountDownLatch 初始化的時候賦值的,

代碼如下:

// 初始化,count 代表 state 的初始化值
public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    // new Sync 底層代碼是 state = count;
    this.sync = new Sync(count);
}

這里的初始化的 count 和一般的鎖意義不太一樣,count 表示我們希望等待的線程數(shù),在兩種不同的等待場景中,count 有不同的含義:

讓一組線程在全部啟動完成之后,再一起執(zhí)行的等待場景下, count 代表一組線程的個數(shù);

主線程等待另外一組線程都執(zhí)行完成之后,再繼續(xù)執(zhí)行的等待場景下,count 代表一組線程的個數(shù)。

所以我們可以把 count 看做我們希望等待的一組線程的個數(shù),可能我們是等待一組線程全部啟動完成,可能我們是等待一組線程全部執(zhí)行完成。

1.2、countDown

countDown 中文翻譯為倒計時,每調用一次,都會使 state 減一,底層調用的方法如下:

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

releaseShared 是 AQS 定義的方法,方法主要分成兩步:

1.嘗試釋放鎖(tryReleaseShared),鎖釋放失敗直接返回,釋放成功走2 

2.釋放當前節(jié)點的后置等待節(jié)點。

第二步 AQS 已經(jīng)實現(xiàn)了,第一步是 Sync 實現(xiàn)的,我們一起來看下 tryReleaseShared 方法的實現(xiàn)源碼:

// 對 state 進行遞減,直到 state 變成 0;
// state 遞減為 0 時,返回 true,其余返回 false
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // 自旋保證 CAS 一定可以成功
    for (;;) {
        int c = getState();
        // state 已經(jīng)是 0 了,直接返回 false
        if (c == 0)
            return false;
        // 對 state 進行遞減
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

從源碼中可以看到,只有到 count 遞減到 0 時,countDown 才會返回 true。

1.3、示例

看完 CountDownLatch 兩個重要 API 后,我們來實現(xiàn)文章開頭說的兩個功能:

讓一組線程在全部啟動完成之后,再一起執(zhí)行;

主線程等待另外一組線程都執(zhí)行完成之后,再繼續(xù)執(zhí)行。

代碼在 CountDownLatchDemo 類中,大家可以調試看看,源碼如下:

public class CountDownLatchDemo {
  // 線程任務
  class Worker implements Runnable {
    // 定義計數(shù)鎖用來實現(xiàn)功能 1
    private final CountDownLatch startSignal;
    // 定義計數(shù)鎖用來實現(xiàn)功能 2
    private final CountDownLatch doneSignal;
    Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {
      this.startSignal = startSignal;
      this.doneSignal = doneSignal;
    }
		// 子線程做的事情
    public void run() {
      try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" begin");
        // await 時有兩點需要注意:await 時 state 不會發(fā)生變化,2:startSignal 的state初始化是 1,所以所有子線程都是獲取不到鎖的,都需要到同步隊列中去等待,達到先啟動的子線程等待后面啟動的子線程的結果
        startSignal.await();
        doWork();
        // countDown 每次會使 state 減一,doneSignal 初始化為 9,countDown 前 8 次執(zhí)行都會返回 false (releaseShared 方法),執(zhí)行第 9 次時,state 遞減為 0,會 countDown 成功,表示所有子線程都執(zhí)行完了,會釋放 await 在 doneSignal 上的主線程
        doneSignal.countDown();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" end");
      } catch (InterruptedException ex) {
      } // return;
    }
    void doWork() throws InterruptedException {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"sleep 5s …………");
      Thread.sleep(5000l);
    }
  }
  @Test
  public void test() throws InterruptedException {
    // state 初始化為 1 很關鍵,子線程是不斷的 await,await 時 state 是不會變化的,并且發(fā)現(xiàn) state 都是 1,所有線程都獲取不到鎖
    // 造成所有線程都到同步隊列中去等待,當主線程執(zhí)行 countDown 時,就會一起把等待的線程給釋放掉
    CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);
    // state 初始化成 9,表示有 9 個子線程執(zhí)行完成之后,會喚醒主線程
    CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(9);
    for (int i = 0; i < 9; ++i) // create and start threads
    {
      new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();
    }
    System.out.println("main thread begin");
    // 這行代碼喚醒 9 個子線程,開始執(zhí)行(因為 startSignal 鎖的狀態(tài)是 1,所以調用一次 countDown 方法就可以釋放9個等待的子線程)
    startSignal.countDown();
    // 這行代碼使主線程陷入沉睡,等待 9 個子線程執(zhí)行完成之后才會繼續(xù)執(zhí)行(就是等待子線程執(zhí)行 doneSignal.countDown())
    doneSignal.await();           
    System.out.println("main thread end");
  }
}

執(zhí)行結果:

Thread-0 begin
Thread-1 begin
Thread-2 begin
Thread-3 begin
Thread-4 begin
Thread-5 begin
Thread-6 begin
Thread-7 begin
Thread-8 begin
main thread begin
Thread-0sleep 5s …………
Thread-1sleep 5s …………
Thread-4sleep 5s …………
Thread-3sleep 5s …………
Thread-2sleep 5s …………
Thread-8sleep 5s …………
Thread-7sleep 5s …………
Thread-6sleep 5s …………
Thread-5sleep 5s …………
Thread-0 end
Thread-1 end
Thread-4 end
Thread-3 end
Thread-2 end
Thread-8 end
Thread-7 end
Thread-6 end
Thread-5 end
main thread end

從執(zhí)行結果中,可以看出已經(jīng)實現(xiàn)了以上兩個功能,實現(xiàn)比較繞,大家可以根據(jù)注釋,debug 看一看。

2、Atomic 原子操作類

Atomic 打頭的原子操作類有很多,涉及到 Java 常用的數(shù)字類型的,基本都有相應的 Atomic 原子操作類,如下圖所示:

圖片描述

Atomic 打頭的原子操作類,在高并發(fā)場景下,都是線程安全的,我們可以放心使用。

我們以 AtomicInteger 為例子,來看下主要的底層實現(xiàn):

private volatile int value;
// 初始化
public AtomicInteger(int initialValue) {
    value = initialValue;
}
// 得到當前值
public final int get() {
    return value;
}
// 自增 1,并返回自增之前的值    
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
// 自減 1,并返回自增之前的值    
public final int getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}

 從源碼中,我們可以看到,線程安全的操作方法,底層都是使用 unsafe 方法實現(xiàn),以上幾個 unsafe 方法不是使用 Java 實現(xiàn)的,都是線程安全的。

AtomicInteger 是對 int 類型的值進行自增自減,那如果 Atomic 的對象是個自定義類怎么辦呢,Java 也提供了自定義對象的原子操作類,叫做 AtomicReference。AtomicReference 類可操作的對象是個泛型,所以支持自定義類,其底層是沒有自增方法的,操作的方法可以作為函數(shù)入?yún)鬟f,源碼如下:

// 對 x 執(zhí)行 accumulatorFunction 操作
// accumulatorFunction 是個函數(shù),可以自定義想做的事情
// 返回老值
public final V getAndAccumulate(V x,
                                BinaryOperator<V> accumulatorFunction) {
    // prev 是老值,next 是新值
    V prev, next;
    // 自旋 + CAS 保證一定可以替換老值
    do {
        prev = get();
        // 執(zhí)行自定義操作
        next = accumulatorFunction.apply(prev, x);
    } while (!compareAndSet(prev, next));
    return prev;
}

3、總結

CountDownLatch 的源碼實現(xiàn)簡單,但真的要用好還是不簡單的,其使用場景比較復雜,建議同學們可以 debug 一下

CountDownLatchDemo,在增加實戰(zhàn)能力基礎上,增加底層的理解能力。

以上就是CountDownLatch和Atomic原子操作類源碼解析的詳細內容,更多關于CountDownLatch和Atomic原子操作類的資料請關注腳本之家其它相關文章!

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