Java并发特性之 CountDownLatch详解！

嗨，你好呀，我是猿java

CountDownLatch 是 Java 中的一个用于管理并发控制的同步辅助类，作用是允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。顾名思义，它的工作机制类似于“倒计时闩锁”，线程会阻塞等待，直到闩锁的计数器减少到 0，然后才能继续执行。这篇文章，我们将深度剖析其原理。

1. 什么是 CountDownLatch？

CountDownLatch是java.util.concurrent 包的一部分，用于同步一个或多个线程以等待特定条件的满足。它在创建时初始化一个给定的计数，表示必须发生的事件数量，才能使线程继续执行。这个计数通过调用 countDown() 方法来递减，等待该条件的线程调用 await() 方法来阻塞，直到计数达到零。

CountDownLatch的关键组件包含:

• 计数：CountDownLatch 的核心概念是计数。它从创建锁存器时指定的初始值开始，只能递减，不能重置。
• await() ：线程使用此方法等待计数达到零。如果当前计数大于零，这些线程将被置于等待状态。
• countDown() ：调用此方法以递减计数。当计数达到零时，所有等待的线程将被释放。
• 线程安全：CountDownLatch 是线程安全的，它使用内部的 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）来管理状态，确保计数的可见性和原子性。

2. 工作原理

CountDownLatch 本质上是一种简化的信号量（Semaphore）。它的核心思想是设定一个计数器，当计数器值为 0 时，其他被阻塞的线程才会开始运行，线程的释放建立在调用 countDown 方法去减少计数器次数的基础上。

CountDownLatch 的典型功能包括：

• 使多个线程等待一系列事件发生。
• 让一个线程等待完成多个步协作操作的线程。
• 在某个条件达到之前阻塞线程。

它包含了两个核心方法：

1. countDown(): 当前线程执行完任务后，调用该方法时，计数器 -1；当计数器为 1，调用该方法可以使计数器变为 0。
2. await(): 当前线程调用后，会阻塞，进入等待状态，直到计数器为 0。

通过这两种操作，我们就可以构建出各种灵活的并发控制逻辑。

2.1 简单实现

public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个计数器，设置初始的计数值为 3
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

        // 创建三个工作线程
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);  // 模拟任务耗时
                System.out.println("Thread 1 finished");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                latch.countDown();  // 每个线程任务完成后，使计数器减 1
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);  // 模拟任务耗时
                System.out.println("Thread 2 finished");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                latch.countDown();  // 每个线程任务完成后，使计数器减 1
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(3000);  // 模拟任务耗时
                System.out.println("Thread 3 finished");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                latch.countDown();  // 每个线程任务完成后，使计数器减 1
            }
        }).start();

        // 主线程会在此阻塞，直到计数器减为 0
        latch.await();
        System.out.println("All tasks finished. Main thread proceeding.");
    }
}

输出结果如下：

Thread 1 finished
Thread 2 finished
Thread 3 finished
All tasks finished. Main thread proceeding.

在上述代码中，主线程调用 latch.await(); 进入阻塞状态，等待三个工作线程完成任务后，计数器将变为 0，然后解除阻塞并进入后续逻辑。

2.2 底层工作原理

从底层工作原理来看，CountDownLatch 内部维护了一个 Sync 类，这实际上是一个基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer, 抽象队列同步器）的同步工具。

• State 的初始值为计数器值，也就是通过构造函数传递的参数（n）。
• await 方法的实现就是通过验证 state 的值是否为 0，若不为 0，则会阻塞当前线程并加入AQS等待队列中，否则继续向下执行。
• countDown 方法会将 state 的值减 1，当state==0时，会唤醒所有在 AQS 阻塞队列中的线程。

内部实现机制对线程的阻塞、唤醒、队列管理等是通过 AQS 实现的，AQS 的设计模式使得它能高效、安全地管理同步状态。

2.3 核心代码片段

static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    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 zero
        for (;;) {
            int c = getState();
            if (c == 0)
                return false;
            int nextc = c - 1;
            if (compareAndSetState(c, nextc))
                return nextc == 0;
        }
    }
}

3. 使用场景分析

CountDownLatch 的应用场景比较广泛，尤其是在处理并发问题时，这里列举了几个：

3.1 批量任务协调

有时候，不同子线程可能会同时执行各自的任务，然而主线程会等待所有子线程的执行完毕后，才继续执行后续操作。

比如 Web 应用中多个 API 的响应聚合：假设有多个远程服务需要调用，主线程希望在所有调用都返回结果后，再执行后续处理，可以使用 CountDownLatch 来等待响应的到来。示例代码如下：

// 类似一些应用需要同时从多个微服务中拉数据，再一起处理
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    executor.submit(() -> {
        try {
            // 模拟拉取和处理数据
        } catch (Exception e) {
            // 异常处理
        } finally {
            latch.countDown(); // 每个任务结束后调用
        }
    });
}
latch.await();  // 等待所有子任务执行结束
System.out.println("汇总所有数据.");

3.2 并行计算

假如有这样一个情景：计算任务很耗时，但是可以分成多个部分并行处理，然后将结果进行合并。

实现方式：我们先将任务分解成 n 个子任务，全部执行完毕后，将子任务的结果进行汇总分析。示例代码如下：

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(n);
List<Integer> results = new CopyOnWriteArrayList<>();
for (int i = 0; i < n; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            int result = // 处理部分任务
            results.add(result);
        } finally {
            latch.countDown();  // 完成后计数减 1
        }
    }).start();
}
latch.await();  // 等到结果全部处理完
int finalResult = results.stream().mapToInt(Integer::intValue).sum();

3.3 服务启动检查

CountDownLatch 还可以为应用服务做“健康检查”。例如，系统在完全启动之前，需要依赖多个外部服务，那么我们可以通过异步方式检测各个服务的健康状态，只有当所有服务都正常启动时，才允许继续执行下一步。

简单的示例代码如下：

public class ServiceStartChecker {

    private final CountDownLatch latch;

    public ServiceStartChecker(int serviceCount) {
        latch = new CountDownLatch(serviceCount);
    }

    public void checkServices() throws InterruptedException {
        // 启动多个异步线程去检查服务是否就绪
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    // 模拟服务检查
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is ready");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    latch.countDown(); // 完成后调用，减少计数器
                }
            }).start();
        }
        latch.await(); // 等待所有服务就绪
        System.out.println("All services are up. System is ready.");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ServiceStartChecker checker = new ServiceStartChecker(3);
        checker.checkServices();
    }
}

4. 与其他并发工具对比

CountDownLatch 只是 Java 并发工具包中的一个工具，其功能与一些其他工具如 CyclicBarrier、Semaphore 等具有一定的共性和不同点。

4.1 CountDownLatch vs CyclicBarrier

• 用途：CountDownLatch适用于一组线程完成某一工作后进入“继续工作”的状态，且无法进行reset重新使用。而 CyclicBarrier 更适合复用，在一组线程都到达某一屏障时统一放行，之后可以通过 reset 重复使用。
• 结束条件：CyclicBarrier 需要每个等待的线程都到达某个同步点才能继续；而 CountDownLatch 则更灵活，它并不关心是哪个线程调用了 countDown，只关注 countDown 是否次数到了。

4.2 CountDownLatch vs Semaphore

• 任务控制力度的差异：Semaphore 更倾向于对信号量的数量进行限流。简单来说，Semaphore 可以限制某个操作的并发次数，比如最多只允许 5 个线程同时执行某个任务。而 CountDownLatch 只是简单的减少计数，不去限流，只是关注完成情况。

5. 实际项目中的使用

在多线程爬虫、分布式系统、并行数据处理等具体项目中，CountDownLatch 都能找到合适的应用场景。

5.1 分布式系统的启动控制

假设我们在一个分布式服务系统中，每个微服务间可能有复杂的依赖关系，借助 CountDownLatch，我可以构建出一个依赖的启动顺序。

5.2 性能测试

在进行性能测试时，可能需要多个线程同时工作，例如使用 CountDownLatch 控制开始时间，以模拟高并发访问场景。

CountDownLatch ready = new CountDownLatch(1);
CountDownLatch done = new CountDownLatch(N);
for (int i = 0; i < N; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            ready.await();  // 等待所有线程就绪
            // 执行模拟请求
        } finally {
            done.countDown();
        }
    }).start();
}
// 开始测试
ready.countDown();
done.await();  // 等到所有线程结束

通过这样的实践，我们可以轻松模拟高并发性能测试和压力测试场景。

6. 总结

本文我们深度剖析了CountDownLatch，CountDownLatch虽然是一个简单的并发工具，对其整体总结如下：

1. 核心工作原理：CountDownLatch基于AQS机制，用于管理一个线程集合的执行流程控制。
2. 适用场景: 主要用于在处理并行操作时控制线程的执行顺序。
3. 与其他工具的对比：与CyclicBarrier和信号量Semaphore分别有不同的贡献场景。
4. 多应用场景使用：包括但不限于服务启动依赖、并行计算结果收集、并发控制等。

7. 交流学习

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