CountDownLatch、Semaphore详解——深入探究CountDownLatch、Semaphore源码
这篇文章将会详细介绍基于AQS实现的两个并发类CountDownLatch和Semaphore,通过深入底层源代码讲解其具体实现。
目录
CountDownLatch
countDown()
await()
Semaphore
Semaphore类图
Semaphore的应用场景
acquire()
tryAcquire()
CountDownLatch
/*** A synchronization aid that allows one or more threads to wait until* a set of operations being performed in other threads completes.*/
上面是CountDownLatch这个API的前两行注释,一句话已经说明了这个类的作用。
一种同步辅助工具,允许一个或多个线程等待其他线程正在执行的一组操作完成。
CountDownLatch是一个计数器,通过的构造方法指定初始计数器的值,调用CountDownLatch的countDown()方法让计数器的值减少1,当计数器的值变成0时,调用它的await()方法阻塞的当前线程会被释放(其实就是从for循环中结束返回),继续执行剩余的代码。
这个类的结构很简单,就不画类图了,直接贴出代码
package java.util.concurrent;import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;public class CountDownLatch {private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;Sync(int count) {setState(count);}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 zerofor (;;) {int c = getState();if (c == 0)return false;int nextc = c-1;if (compareAndSetState(c, nextc))return nextc == 0;}}}private final Sync sync;public CountDownLatch(int count) {if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");this.sync = new Sync(count);}public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);}public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException {return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));}public void countDown() {sync.releaseShared(1);}public long getCount() {return sync.getCount();}public String toString() {return super.toString() + "[Count = " + sync.getCount() + "]";}}
CountDownLatch是通过AQS的实现类Sync来实现这个计数器功能的,通过AQS的state属性保存计数器的值。
因为这里的计数器值state是共享的,所以重写了AQS的tryAcquireShared()和tryReleaseShared()方法。
为什么要重写这两个方法呢?
因为AQS里的几个重要的方法aquire()和release()会根据当前是独占模式还是共享模式去调用对应的tryAcquire()/tryAcquireShared()、tryRelease()/tryReleaseShared()方法。
而Java已经约定了,继承AQS应该指明state属性的语义:
- 在CountDownLatch中,state值表示计数器的值;
- 在Semaphore中,state值表示许可证的数量;
接下来,介绍CountDownLatch中的两个最重要的方法:
countDown()
让计数器的值减1
public void countDown() {sync.releaseShared(1);}
在这个方法里调用了releaseShared()方法,因为静态内部类Sync没有重写这个方法,所以调用的是超类AbstractQueuedSynchronizer的方法。
public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();return true;}return false;}
这个方法里先调用tryReleaseShared()方法,因为Sync重写了这个方法,所以调用的是Sync的方法。
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {for (;;) {// 获取state值,如果是0,直接返回falseint c = getState();if (c == 0) {return false;}// 通过Unsafe工具类的CAS方法尝试修改state的值为state - 1int nextc = c - 1;if (compareAndSetState(c, nextc)) {// 修改完成之后,根据修改之前的state值是否为1返回true或falsereturn nextc == 0;}}}
await()
阻塞当前线程,直到state值变成0才恢复。
public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
在方法内部调用了AQS的acquireSharedInterruptibly()方法,Interruptibly后缀的方法都可以被中断。
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();if (tryAcquireShared(arg) < 0)doAcquireSharedInterruptibly(arg);}
在这个方法中,先调用Thread类的静态方法interrupted()判断当前线程是否被中断,如果当前线程中断状态为true,则清除线程的中断标记并返回true。否则返回false。如果当前线程是被中断的状态,则抛出中断异常返回。关于interrupted()方法的详细介绍,请参考文章
interrupt()、interrupted()和isInterruptd()的区别https://blog.csdn.net/heyl163_/article/details/132138422如果当前线程是正常的状态,调用tryAcquireShared()方法,因为Sync重写了这个方法,所以调用的是Sync的tryAcquireShared()方法。这个方法就是判断当前state属性值是否为0,如果不是0就返回-1,否则返回1
protected int tryAcquireShared(int acquires) {return (getState() == 0) ? 1 : -1;}
继续回到上面的代码,当state不为0时,会执行doAcquireSharedInterruptibly()方法,注意,这里的一个死循环for会让当前线程一直阻塞在这里,直到tryAcquireShared()获取到的返回值大于0,也就是1时才退出循环,而根据上面的方法,此时state值为0。
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 GCfailed = false;return;}}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())throw new InterruptedException();}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}}
总结:这里的等待是通过无条件的for循环让当前线程一直等待,直到state的值变为0才退出循环返回。所以,在这里可以替代线程的join()方法使用,这也是CountDownLatch的主要用途。
Semaphore
A counting semaphore.Conceptually, a semaphore maintains a set of permits. Each acquire blocks if necessary until a permit is available, and then takes it. Each release adds a permit, potentially releasing a blocking acquirer. However, no actual permit objects are used; the Semaphore just keeps a count of the number available and acts accordingly.
一个计数器信号量,一个Semaphore包含一组许可证的集合,每个获取器都会在必要时阻塞,直到有许可证可用,然后获取它。每次释放都会增加一个许可,从而有可能释放阻塞的获取者。不过, Semaphore 并不使用实际的许可证对象;它只是对可用数量进行计数,并采取相应的行动。
以上是Semaphore的简单介绍,在源码的注释最开头就能看到。。
Semaphore类图
Semaphore的应用场景
接下来通过一个案例来介绍Semaphore适用于什么场景
在广州过节和朋友去吃火锅就知道,桌子数量是固定的,一个店就那么大,就只有x桌。去到店里基本上是要排队的,要等取号在自己的号数前面的人吃完出来才能空出来桌位,否则就要在那里一直等。
上面的场景,假如店里刚好坐满,这时候突然来了1对情侣,这时候因为店里的人还没吃完,要等最少一桌的人用完餐之后出来才能轮到这队情侣用餐。
其实这里的操作就是acquire(),店里的桌数就是Semaphore的初始许可数。
acquire()
public void acquire() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
方法内部调用了以下方法,当线程被中断时,清除中断标记,抛出中断异常。否则,调用tryAcquireShared()方法尝试得到一个许可证。
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();if (tryAcquireShared(arg) < 0)doAcquireSharedInterruptibly(arg);}
这里会根据调用构造方法指定的公平锁还是非公平锁调用FairSync或NoneFairSync的tryAcquireShared()方法。
如果是使用一个参数的构造方法实例化,则使用默认的非公平锁,否则根据参数fair来决定是否公平锁。
public Semaphore(int permits) {sync = new NonfairSync(permits);
}public Semaphore(int permits, boolean fair) {sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
以默认的NoneFairSync为例,tryAcquireShared()方法会调用其超类Sync中定义的nonfairTryAcquireShared()方法。
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;}
}
nonfairTryAcquireShared()方法中会一直尝试去扣减AQS中的state值,也就是信号量中的许可证的数量。
回到acquireSharedInterruptibly()方法,当我们尝试扣减state之后state小于0,也就是许可证数量不够了,就会执行doAcquireSharedInterruptibly()方法,这个方法在CountDownLatch里也讲了,主线程会一直在for循环里出不去,相当于阻塞在这里了,直到申请许可证成功,也就是上面的方法返回了不小于0的数。
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();if (tryAcquireShared(arg) < 0)doAcquireSharedInterruptibly(arg);}private void doAcquireInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);boolean failed = true;try {for (;;) {final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return;}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())throw new InterruptedException();}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}}
tryAcquire()
尝试获取许可证,如果许可证数量足够,则返回true,否则返回false。
public boolean tryAcquire() {return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
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