## 27 倒數計時開始，三、二、一—CountDownLatch詳解 > 時間像海綿里的水，只要你愿意擠，總還是有的。 > ——魯迅 本節開始我們學習一些新的東西，不再局限于線程、鎖、并發容器這些內容。JCU 包中提供了一些工具，用于線程間的協調。這些工具并不是每個并發編程的場景都需要使用。大部分場景通過 wait/nofity 或者 join 等操作就可以解決。但是在一些特定的場景下，我們則需要借助這些工具來解決問題。本節我們先來學習 CountDownLatch。 ## 1、理解 CountDownLatch 從字面理解 CountDownLatch，意思是倒數門閂。它的作用是多個線程做匯聚。主線程開啟了 A、B、C 三個線程做不同的事情，但是主線程需要等待 A、B、C 三個線程全部完成后才能繼續后面的步驟。此時就需要 CountDownLatch 出馬了。CountDownLatch 會阻塞主線程，直到計數走到 0，門閂才會打開，主線程繼續執行。而計數遞減是每個線程自己操作 CountDownLatch 對象實現的。如下圖：  這種場景在我們的生活中十分常見。比如籃球比賽中，作為控球后衛，如果沒有快攻機會，那就需要等到中鋒、大前鋒、小前鋒、得分后衛都跑到位了，我才能決定怎么組織進攻。又比如我們報團去旅游，必須所有人都到機場了，才能一起出發。 對于我們的程序來說這種場景也挺多的，比如你的訂單信息可能需要從多個微服務取得數據，匯總后加工才返回給前臺。此時從多個微服務取得數據可以是多個子線程來完成。 對于以上場景，都是 CountDownLatch 的用武之地。 ## 2、如何使用 CountDownLatch 我們來模擬打籃球的例子，主線程假如是控球后衛，我們看一下如果不用 CountDownLatch 會有什么問題： ~~~java public static void main(String[] args) throws InterruptedException { System.out.println("控球后衛到位！等待所有位置球員到位！"); new Thread(()->{ System.out.println("得分后衛到位！"); }).start(); new Thread(()->{ System.out.println("中鋒到位！"); }).start(); new Thread(()->{ System.out.println("大前鋒到位！"); }).start(); new Thread(()->{ System.out.println("小前鋒到位！"); }).start(); System.out.println("全部到位，開始進攻！"); } ~~~ 輸出為： ~~~ 控球后衛到位！等待所有位置球員到位！ 得分后衛到位！ 中鋒到位！ 大前鋒到位！ 全部到位，開始進攻！ 小前鋒到位！ ~~~ 可以看到小前鋒還沒有到位，就開始進攻了。這顯然和需求不符。出現這種結果也很好理解，因為代碼中控球后衛并沒有等每個球員的線程到位，就開始進攻了。 正確的姿勢應該如下： ~~~java public class Client { private static final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { System.out.println("控球后衛到位！等待所有位置球員到位！"); countDownLatch.countDown(); new Thread(()->{ System.out.println("得分后衛到位！"); countDownLatch.countDown(); }).start(); new Thread(()->{ System.out.println("中鋒到位！"); countDownLatch.countDown(); }).start(); new Thread(()->{ System.out.println("大前鋒到位！"); countDownLatch.countDown(); }).start(); new Thread(()->{ System.out.println("小前鋒到位！"); countDownLatch.countDown(); }).start(); countDownLatch.await(); System.out.print("全部到位，開始進攻！"); } } ~~~ 首先聲明聲明了一個 countDownLatch 對象，由于有5名球員，所以傳入 count=5。每個球員的線程在球員到位后，都會執行 countDownLatch.countDown()，這個方法可以理解為我們把初始值的計數數量5做遞減。當減到零時才會執行 countDownLatch.await(); 后面的代碼。countDownLatch.await() 就是我們的門閂，這行代碼做的是鎖門操作，而每次 countDown()，調用5次后，門閂打開，后面的代碼才被執行。 這段代碼輸出如下： ~~~ 控球后衛到位！等待所有位置球員到位！ 得分后衛到位！ 中鋒到位！ 大前鋒到位！ 小前鋒到位！ 全部到位，開始進攻！ ~~~ 可以看出完全符合我們的預期，如果你還對此表示懷疑，那么你可以在某個線程中讓其 sleep 上幾秒，再看看是否還是全部到位才開始進攻。 ## 3、CountDownLatch 的原理解析 CountDownLatch 內部其實還是借助 AQS 實現的。它內部實現了 AbstractQueuedSynchronizer。使用 AQS 的 state 變量來存儲計數器的值，初始化 CountDownLatch，實際在初始化 state 值。 ### 3.1 構造函數 我們看其構造函數： ~~~java public CountDownLatch(int count) { if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0"); this.sync = new Sync(count); } ~~~ ~~~java Sync(int count) { setState(count); } ~~~ ~~~java protected final void setState(int newState) { state = newState; } ~~~ 三個方法串起來看，發現最后就是把傳入的 count 設置給了 state。 ### 3.2 await 方法 await 方法會阻塞當前線程，代碼如下： ~~~java public void await() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1); } ~~~ 調用了 AQS 的方法： ~~~java public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireSharedInterruptibly(arg); } ~~~ 嘗試獲取共享鎖 tryAcquireShared，如果不能獲取進入等待隊列。 tryAcquireShared 方法由 CountDownLatch 的內部類 Sync 實現，如下： ~~~java protected int tryAcquireShared(int acquires) { return (getState() == 0) ? 1 : -1; } ~~~ 可以看到如果 state 為0就直接返回了，但如果不為零，才進入等待隊列。調用 tryAcquireShared 僅僅檢查 state值，而不會對其減 1，可以看到傳入的參數 acquires根本沒有用。 我們再看看 countDown 方法。 ### 3.3 countDown 方法 這個方法會對 state 遞減。當計數器減為 0 時，所有阻塞的線程都被喚醒。代碼如下： ~~~java public void countDown() { sync.releaseShared(1); } ~~~ 可見其也是通過對自己的 AQS 子類調用 releaseShared 方法： ~~~java public final boolean releaseShared(int arg) { if (tryReleaseShared(arg)) { doReleaseShared(); return true; } return false; } ~~~ 而在這個方法里，tryReleaseShared 是由子類實現的，也就是 countDown 中的 Sync 類，實現代碼如下： ~~~java 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; } } ~~~ 以上代碼在自旋中，通過 CAS 的方式對 state 值-1，如果 c-1 后等于 0，說明計數到 0。那么 releaseShared 中會調用 doReleaseShared()，讓 AQS 釋放資源出來。 以上對做 CountDownLatch 源代碼做了簡單的分析，可以看出主要是使用 AQS 來實現。通過阻塞隊列阻塞線程。然后通過 state 值的初始化和遞減，實現 state 為 0 時，激活阻塞的線程。 ## 4、總結 CountDownLatch 有其一定的應用場景，對于多線程協調和串起流程有很大的幫助。我們在多線程開發中，可以留意是否有類似的場景，能夠通過 CountDownLatch 來解決。CountDownLatch 自身也有一定的局限性，它只能被使用一次，而不能被恢復再次使用。下一節我們講學習 CyclicBarrier，它可以重置以重復使用。