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Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore

程序员文章站 2024-03-12 12:09:08
...

0、前言

这篇博客是AQS共享模式的应用。主要包括三个：

  • Semaphore
  • CountDownLatch
  • CyclicBarrier

1、CountDownLatch

CountDownLatch 非常实用，我们常常会将一个比较大的任务进行拆分，然后开启多个线程来执行，等所有线程都执行完了以后，再往下执行其他操作。
构建出这么一个场景：有 m 个线程是做任务的，有 n 个线程在某个栅栏上等待这 m 个线程做完任务，直到所有 m 个任务完成后，n 个线程同时通过栅栏。Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore
源码

构造方法，需要传入一个不小于 0 的整数：

public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}
// 老套路了，内部封装一个 Sync 类继承自 AQS
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    Sync(int count) {
        // 这样就 state == count 了
        setState(count);
    }
    ...
}

对于 CountDownLatch，我们仅仅需要关心两个方法，一个是 countDown() 方法，另一个是 await() 方法。
countDown() 方法每次调用都会将 state 减 1，直到 state 的值为 0；而 await 是一个阻塞方法，当 state 减为 0 的时候，await 方法才会返回。await 可以被多个线程调用，读者这个时候脑子里要有个图：所有调用了 await 方法的线程阻塞在 AQS 的阻塞队列中，等待条件满足（state == 0），将线程从队列中一个个唤醒过来。

public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    // 这也是老套路了，我在第二篇的中断那一节说过了
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();

    // t3 和 t4 调用 await 的时候，state 都大于 0（state 此时为 2）。
    // 也就是说，这个 if 返回 true，然后往里看
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
// 只有当 state == 0 的时候，这个方法才会返回 1
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    // 1. 入队
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                // 同上，只要 state 不等于 0，那么这个方法返回 -1
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 2
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

我们来仔细分析这个方法，线程 t3 经过第 1 步 addWaiter 入队以后，我们应该可以得到这个：

Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore

由于 tryAcquireShared 这个方法会返回 -1，所以 if (r >= 0) 这个分支不会进去。到 shouldParkAfterFailedAcquire 的时候，t3 将 head 的 waitStatus 值设置为 -1，如下：
Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore

然后进入到 parkAndCheckInterrupt 的时候，t3 挂起。
我们再分析 t4 入队，t4 会将前驱节点 t3 所在节点的 waitStatus 设置为 -1，t4 入队后，应该是这样的：
Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore
然后，t4 也挂起。接下来，t3 和 t4 就等待唤醒了。
接下来，我们来看唤醒的流程。为了让下面的示意图更丰富些，我们假设用 10 初始化 CountDownLatch。
Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore

public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);
}
public final boolean releaseShared(int arg) {
    // 只有当 state 减为 0 的时候，tryReleaseShared 才返回 true
    // 否则只是简单的 state = state - 1 那么 countDown() 方法就结束了
    //    将 state 减到 0 的那个操作才是最复杂的，继续往下吧
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        // 唤醒 await 的线程
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}
// 这个方法很简单，用自旋的方法实现 state 减 1
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;
    }
}

countDown 方法就是每次调用都将 state 值减 1，如果 state 减到 0 了，那么就调用下面的方法进行唤醒阻塞队列中的线程：

// 调用这个方法的时候，state == 0
// 这个方法先不要看所有的代码，按照思路往下到我写注释的地方，我们先跑通一个流程，其他的之后还会仔细分析
private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            // t3 入队的时候，已经将头节点的 waitStatus 设置为 Node.SIGNAL（-1） 了
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                // 将 head 的 waitStatue 设置为 0
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 就是这里，唤醒 head 的后继节点，也就是阻塞队列中的第一个节点
                // 在这里，也就是唤醒 t3
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) // todo
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

一旦 t3 被唤醒后，我们继续回到 await 的这段代码，parkAndCheckInterrupt 返回，我们先不考虑中断的情况：

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); // 2. 这里是下一步
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                // 1. 唤醒后这个方法返回
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

接下来，t3 会进到 setHeadAndPropagate(node, r) 这个方法，先把 head 给占了，然后唤醒队列中其他的线程：

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head; // Record old head for check below
    setHead(node);

    // 下面说的是，唤醒当前 node 之后的节点，即 t3 已经醒了，马上唤醒 t4
    // 类似的，如果 t4 后面还有 t5，那么 t4 醒了以后，马上将 t5 给唤醒了
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            // 又是这个方法，只是现在的 head 已经不是原来的空节点了，是 t3 的节点了
            doReleaseShared();
    }
}

又回到这个方法了，那么接下来，我们好好分析 doReleaseShared 这个方法，我们根据流程，头节点 head 此时是 t3 节点了：

// 调用这个方法的时候，state == 0
private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        // 1. h == null: 说明阻塞队列为空
        // 2. h == tail: 说明头结点可能是刚刚初始化的头节点，
        //   或者是普通线程节点，但是此节点既然是头节点了，那么代表已经被唤醒了，阻塞队列没有其他节点了
        // 所以这两种情况不需要进行唤醒后继节点
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            // t4 将头节点(此时是 t3)的 waitStatus 设置为 Node.SIGNAL（-1） 了
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                // 这里 CAS 失败的场景请看下面的解读
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 就是这里，唤醒 head 的后继节点，也就是阻塞队列中的第一个节点
                // 在这里，也就是唤醒 t4
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     // 这个 CAS 失败的场景是：执行到这里的时候，刚好有一个节点入队，入队会将这个 ws 设置为 -1
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        // 如果到这里的时候，前面唤醒的线程已经占领了 head，那么再循环
        // 否则，就是 head 没变，那么退出循环，
        // 退出循环是不是意味着阻塞队列中的其他节点就不唤醒了？当然不是，唤醒的线程之后还是会调用这个方法的
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

我们分析下最后一个 if 语句，然后才能解释第一个 CAS 为什么可能会失败：
h == head：说明头节点还没有被刚刚用 unparkSuccessor 唤醒的线程（这里可以理解为 t4）占有，此时 break 退出循环。
h != head：头节点被刚刚唤醒的线程（这里可以理解为 t4）占有，那么这里重新进入下一轮循环，唤醒下一个节点（这里是 t4 ）。我们知道，等到 t4 被唤醒后，其实是会主动唤醒 t5、t6、t7…，那为什么这里要进行下一个循环来唤醒 t5 呢？我觉得是出于吞吐量的考虑。
满足上面的 2 的场景，那么我们就能知道为什么上面的 CAS 操作 compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0) 会失败了？
因为当前进行 for 循环的线程到这里的时候，可能刚刚唤醒的线程 t4 也刚刚好到这里了，那么就有可能 CAS 失败了。
for 循环第一轮的时候会唤醒 t4，t4 醒后会将自己设置为头节点，如果在 t4 设置头节点后，for 循环才跑到 if (h == head)，那么此时会返回 false，for 循环会进入下一轮。t4 唤醒后也会进入到这个方法里面，那么 for 循环第二轮和 t4 就有可能在这个 CAS 相遇，那么就只会有一个成功了。

2、CyclicBarrier

字面意思是“可重复使用的栅栏”或“周期性的栅栏”，总之不是用了一次就没用了的，CyclicBarrier 相比 CountDownLatch 来说，要简单很多，其源码没有什么高深的地方，它是 ReentrantLock 和 Condition 的组合使用。看如下示意图，CyclicBarrier 和 CountDownLatch 是不是很像，只是 CyclicBarrier 可以有不止一个栅栏，因为它的栅栏（Barrier）可以重复使用（Cyclic）。
Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore
首先，CyclicBarrier 的源码实现和 CountDownLatch 大相径庭，CountDownLatch 基于 AQS 的共享模式的使用，而 CyclicBarrier 基于 Condition 来实现。
因为 CyclicBarrier 的源码相对来说简单许多，读者只要熟悉了前面关于 Condition 的分析，那么这里的源码是毫无压力的，就是几个特殊概念罢了。
先用一张图来描绘下 CyclicBarrier 里面的一些概念，和它的基本使用流程：
Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore
源码不想写了

3、Semaphore

3.1、加锁解锁流程

  • Semaphore 有点像一个停车场，permits 就好像停车位数量，当线程获得了 permits 就像是获得了停车位，然后停车场显示空余车位减一
  1. 刚开始，permits（state）为 3，这时 5 个线程来获取资源
    Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore
    2、假设其中 Thread-1，Thread-2，Thread-4 cas 竞争成功，而 Thread-0 和 Thread-3 竞争失败，进入 AQS 队列park 阻塞
    Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore
    3、接下来 Thread-0 竞争成功，permits 再次设置为 0，设置自己为 head 节点，断开原来的 head 节点，unpark 接下来的 Thread-3 节点，但由于 permits 是 0，因此 Thread-3 在尝试不成功后再次进入 park 状态
    Java并发6：CountDownLatch &CyclicBarrier &Semaphore

3.2、源码

static final class NonfairSync extends Sync {
	NonfairSync(int permits) {
		// permits 即 state
		super(permits);
	}
}
public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

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);
    }
}
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) {
    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;
    }
}
相关标签： Java并发

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