深入剖析线程同步工具CountDownLatch原理
0 CountDownLatch的作用
CountDownLatch作为一个多线程间的同步工具，它允许一个或多个线程等待其他线程（可以是多个）完成工作后，再恢复执行。
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就像下面这样：
1 从一个Demo说起
我们直接拿源码中给出的Demo看一下，源码中的这个demo可以看做模拟一个赛跑的场景。 赛跑肯定有跑得快的运动员也有跑的慢的运动员，每个运动员就表示一个线程。 运动员听到枪声后开始起跑，而最后一个运动员到达终点后，标志的比赛的结束。 整个过程如下图所示：
CountDownLatch跑步模拟
源码如下所示
public class Race {
private static final int N = 4;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1); // 鸣枪开始信号
CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N); // 等待N个运动员都跑完后，比赛结束（结束信号）
for (int i = 0; i < N; ++i) // N个运动员准备就绪，等待枪声
new Thread(new Runner(startSignal, doneSignal, i)).start();
Thread.sleep(1000); // 等待所有运动员就绪
System.out.println("所有运动员就绪");
startSignal.countDown(); // 鸣枪，开赛
System.out.println("比赛进行中...");
doneSignal.await(); // 等待N个运动员全部跑完（等待doneSignal变为0）
System.out.println("比赛结束");
}
}
class Runner implements Runnable {
private final CountDownLatch startSignal;
private final CountDownLatch doneSignal;
private int number;
Runner(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal, int number) {
this.startSignal = startSignal;
this.doneSignal = doneSignal;
this.number = number;
}
public void run() {
try {
// 等待枪声（等待开始信号startSignal变为0）
System.out.println(number + "号运动员准备就绪");
startSignal.await();
// 赛跑
System.out.println(number + "号运动员跑步中...");
Thread.sleep(new Random().nextInt(10) * 1000);
// 此运动员跑到终点
System.out.println(number + "号运动员到达终点");
doneSignal.countDown();
} catch (InterruptedException ex) {} // return;
}
}上面代码运行后，输出如下：
0号运动员准备就绪
3号运动员准备就绪
2号运动员准备就绪
1号运动员准备就绪
所有运动员就绪
比赛进行中...
0号运动员跑步中...
1号运动员跑步中...
2号运动员跑步中...
3号运动员跑步中...
2号运动员到达终点
1号运动员到达终点
0号运动员到达终点
3号运动员到达终点
比赛结束下面，深入到代码细节，看一下CountDownLatch初始化、countDown方法、await方法是如何实现的。
通过下图来了解一下CountDownLatch的类继承关系
CountDownLatch类图
3 CountDownLatch的初始化
CountDownLatch只有一个构造方法：
public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}他会初始化一个Sync，这是他的一个内部类，类似于ReentrantLock，Sync也继承于AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。
AQS是个啥？可以参考笔者的另一篇文章：Java队列同步器（AQS）到底是怎么一回事
然后看一下Sync的源码
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
// 调用AQS的setState方法，将state赋值为count的值
Sync(int count) {
setState(count);
}
// 获取AQS state的当前值
int getCount() {
return getState();
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
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;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
}所以CountDownLatch的初始化，其实是将参数count的值赋值给AQS的state，依然是用state来控制同步状态。
4 await方法的实现
依然用上面赛跑的例子来说明这个问题。这里我们只考虑所有运动员等待枪声的情景。
回忆一下，赛跑的例子中，通过下面的方式创建了鸣枪信号：
CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1); // 鸣枪开始信号然后创建了N个线程（表示N个运动员），并调用其start方法让其开始执行（运动员准备就绪，等待鸣枪开跑）。
然后通过在run方法中调用startSignal.await()，来实现等待鸣枪的动作（其实就是等startSignal的值降为0）。
我们来看一下他是怎么await的。
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}调用了AQS的acquireSharedInterruptibly方法
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 判断线程是否已经被中断
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 调用CountDownLatch.Sync的tryAcquireShared方法
// 此方法判断count的值是否==0，如果==0，返回1，否则返回-1
// 目前我们还没有执行countDown，所以count肯定不等于0，这里肯定返回-1
// 所以会执行到AQS的doAcquireSharedInterruptibly方法中
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}AQS.doAcquireSharedInterruptibly的实现如下
/
* Acquires in shared interruptible mode.
* @param arg the acquire argument
*/
// 此方法会在count>0时将当前线程加入到等待队列中
// 由于我们目前还没有执行countDown，所以count会保持>0
// 启动的N个线程会全部加入到队列中
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 将当前线程添加到等待队列中（SHARED模式）
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
// 自旋获取同步状态
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
// 依然调用CountDownLatch.Sync的tryAcquireShared方法判断
// 如果count降为0，退出自旋
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// 将node的waitStatus设置为-1（常量SIGNAL，表示需要唤醒），并阻塞
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}**
```**
假设N=4，那么4个线程全部start后，会全部加入到队列中自旋等待，像下面这样：
CountDownLatch.await自旋等待
5 countDown方法的实现
countDown方法实际上就是将AQS中的state的值-1。然后判断当前state的值是否==0，如果等于0，说明所有线程都执行结束了，需要唤醒所有等待的线程。
依然继续上面的场景，鸣枪后，所有的运动员开跑。
鸣枪这个动作实际上就是在主线程中执行：
startSignal.countDown();
这就相当于向刚才队列中的所有线程发了一个恢复执行的信号，所有线程会被唤醒，继续执行await后面的代码。
countDown具体干了啥呢？public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
他会调用AQS的releaseShared方法
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 调用CountDownLatch.Sync的tryReleaseShared方法
// 该方法尝试将count值-1，并判断-1后的count是否==0，如果==0，返回true，否则false
// 该方法的源码已经在Sync的源码中给出，可翻阅上文查看
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
由于startSignal中count的初始值==1，startSignal.countDown()后，count变为0。所以tryReleaseShared会返回true。
然后开始执行doReleaseShared，唤醒队列中的线程。
doReleaseShared是AQS中的方法。
/**
- Release action for shared mode -- signals successor and ensures
- propagation. (Note: For exclusive mode, release just amounts
- to calling unparkSuccessor of head if it needs signal.)
/
private void doReleaseShared() {
/- Ensure that a release propagates, even if there are other
- in-progress acquires/releases. This proceeds in the usual
- way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
- signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
- ensure that upon release, propagation continues.
- Additionally, we must loop in case a new node is added
- while we are doing this. Also, unlike other uses of
- unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
- fails, if so rechecking.
*/
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
// Node.SIGNAL == -1
// 由上文可知，进入队列的线程的waitStatus都等于-1
// 所以这里为true
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 尝试将waitStatus从-1改为0，如果修改成功，就恢复这个线程的执行状态
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
这里，被阻塞的线程又恢复执行，恢复到哪了呢？就是刚才自旋等待的那里。
把上面的源码直接拿下来，再说明一下（注释部分）
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 将当前线程添加到等待队列中（SHARED模式）
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
// 线程被释放后，继续下一次循环
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
// 获取头节点，从头结点开始释放，由于count已经降为0，所以r >= 0为true
// 然后会将自己摘除当前队列，使下一个节点成为头节点
// 等下一个节点也恢复过来后，同样执行上面的过程
// 这样，队列中的所有线程就被释放了
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// 将node的waitStatus设置为-1（常量SIGNAL，表示需要唤醒），并阻塞
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}6 总结
本文从源码层面详细说明了CountDownLatch是如何运作的。 CountDownLatch也是基于AQS实现，所以了解AQS的机制，对于理解本文至关重要。 其实，CountDownLatch最核心的就是通过控制AQS的state，来同步多个线程之间的状态。
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