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CountDownLatch结构与核心实现分析

CountDownLatch是一个一次性同步工具，基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现。它的核心思想是维护一个计数器，当计数器归零时释放所有等待的线程。

主要组件结构

CountDownLatch
├── Sync (内部类，继承AbstractQueuedSynchronizer)
│   ├── tryAcquireShared() - 尝试获取共享锁
│   └── tryReleaseShared() - 尝试释放共享锁
└── 核心方法├── await() - 等待计数归零├── countDown() - 计数减一└── getCount() - 获取当前计数

内部同步器 (Sync类)

CountDownLatch通过内部类Sync继承AbstractQueuedSynchronizer来实现同步控制：

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {Sync(int count) {setState(count);  // 将计数值设置为AQS的state}
}

关键设计：

• 使用AQS的state字段存储计数值
• 利用AQS的共享模式实现多线程等待机制

等待机制 (await方法)

public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

工作流程：

1. 调用AQS的acquireSharedInterruptibly()方法
2. 内部调用tryAcquireShared()检查状态
3. 如果计数不为0，线程进入等待队列阻塞
4. 当计数归零时，所有等待线程被唤醒

计数递减机制 (countDown方法)

public void countDown() {sync.releaseShared(1);
}public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {signalNext(head);return true;}return false;}

核心实现在tryReleaseShared()：

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {for (;;) {int c = getState();if (c == 0) return false;  // 已经为0，无需操作int nextc = c - 1;if (compareAndSetState(c, nextc))  // CAS原子更新return nextc == 0;  // 返回是否归零}
}

关键特性：

• 使用CAS循环确保原子性操作
• 只有当计数归零时才返回true，触发线程唤醒
• 计数为0时的countDown()调用不会产生效果

AQS共享模式运用

CountDownLatch采用AQS的共享模式：

• tryAcquireShared()：当state为0时返回1(成功)，否则返回-1(失败)
• tryReleaseShared()：递减state，当变为0时返回true通知AQS唤醒等待线程

线程同步机制

等待线程管理：

• 等待的线程被加入AQS的等待队列
• 使用LockSupport.park()阻塞线程
• 计数归零时，AQS自动唤醒所有等待线程

内存可见性保证：

• 通过AQS的volatile state字段确保内存可见性
• countDown()操作的happens-before关系确保线程安全

一次性特性

CountDownLatch的一次性设计体现在：

• 计数器不能重置，归零后永远保持为0
• 后续的await()调用会立即返回
• 这与CyclicBarrier的可重复使用形成对比

典型使用场景

1. 启动信号：一个线程等待多个线程准备完毕
2. 完成信号：主线程等待多个工作线程完成任务
3. 分治任务：将大任务拆分，等待所有子任务完成

CyclicBarrier核心实现分析

CyclicBarrier采用ReentrantLock + Condition的传统同步方式，而非直接实现AQS框架：

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition trip = lock.newCondition();

核心组件：

• Generation类：代表栅栏的一个周期，用于标识栅栏状态
• count字段：当前等待的线程数，从parties递减到0
• parties字段：参与同步的线程总数（固定不变）

Generation周期管理

private static class Generation {boolean broken;  // 栅栏是否被破坏
}

每次栅栏被触发或重置时，都会创建新的Generation实例，实现周期性复用。

private void nextGeneration() {trip.signalAll();           // 唤醒所有等待线程count = parties;            // 重置计数器generation = new Generation(); // 创建新周期
}

核心等待逻辑 (dowait方法)

工作流程：

1. 获取锁：使用ReentrantLock确保线程安全
2. 计数递减：int index = --count
3. 判断是否最后一个线程：
   • 如果index == 0：执行barrier action，触发nextGeneration()
   • 否则：进入trip.await()等待状态

int index = --count;
if (index == 0) {  // 最后一个线程到达// 执行barrier actionnextGeneration();  // 开启新周期return 0;
}
// 其他线程等待
trip.await();

CountDownLatch vs CyclicBarrier 对比分析

特性	CountDownLatch	CyclicBarrier
底层实现	AQS共享模式	ReentrantLock + Condition
同步方式	一次性计数器	可重复使用的栅栏
线程角色	等待者vs触发者分离	所有线程平等参与

使用模式对比

CountDownLatch：主从模式

// 主线程等待，工作线程触发
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
// 工作线程: latch.countDown()
// 主线程: latch.await()

CyclicBarrier：协作模式

// 所有线程相互等待
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);
// 每个线程: barrier.await()

技术实现细节对比

计数逻辑差异

• CountDownLatch：计数从N递减到0，不可重置
• CyclicBarrier：计数从parties递减到0后自动重置

线程唤醒机制

• CountDownLatch：使用AQS的releaseShared()统一唤醒
• CyclicBarrier：最后到达的线程执行signalAll()唤醒其他线程

异常处理策略

• CountDownLatch：单纯的计数递减，异常不影响其他线程
• CyclicBarrier：采用all-or-none模式，一个线程异常会导致所有线程收到BrokenBarrierException

Semaphore 结构与核心实现分析

总述：

• ​核心机制​​：基于 AQS 的共享锁模式，通过 state 管理许可证。
• ​​策略差异​​：公平与非公平模式影响线程获取许可证的顺序。
• ​​灵活性​​：支持批量操作、许可证调整及清空，适用于多样化并发控制场景。
• ​​优势​​：轻量级资源控制，无需显式锁，且释放操作不限于持有线程。

整体结构​​

• ​​核心成员​​：private final Sync sync（基于 AQS 的同步器）
• ​​同步器层级​​：
  • ​​抽象类 Sync​​：继承 AbstractQueuedSynchronizer，实现基础的许可证操作（获取/释放/调整）。
  • ​​子类 NonfairSync​​：非公平策略（默认），允许线程“插队”。
  • ​​子类 FairSync​​：公平策略，遵循 FIFO 顺序。

​​核心方法​​

​​方法​​	​​作用​​
acquire()	阻塞获取 1 个许可（响应中断）
acquireUninterruptibly()	阻塞获取 1 个许可（不响应中断）
tryAcquire()	尝试立即获取 1 个许可（非公平策略）
tryAcquire(timeout)	限时获取 1 个许可（支持中断）
release()	释放 1 个许可
availablePermits()	返回当前可用许可数
drainPermits()	清空并返回所有可用许可
reducePermits(reduction)	减少许可证数量（不可逆操作）

底层实现机制​​

(1) ​​许可证存储​​

• ​​AQS 状态 state​​：存储当前可用许可证数量。

  Sync(int permits) {setState(permits); // 初始化许可证数量
  }

(2) ​​许可证获取​​

• ​​非公平策略​​（NonfairSync）：

  protected int tryAcquireShared(int acquires) {return nonfairTryAcquireShared(acquires); // 直接尝试获取
  }final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {int available = getState();int remaining = available - acquires;if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))return remaining; // 负数表示失败}
  }

  • ​​特点​​：允许新线程“插队”获取许可证。

• ​​公平策略​​（FairSync）：

  protected int tryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {if (hasQueuedPredecessors()) // 检查是否有等待线程return -1; // 有则拒绝获取int available = getState();int remaining = available - acquires;if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))return remaining;}
  }

  • ​​特点​​：严格遵循 FIFO 顺序，防止线程饥饿。

(3) ​​许可证释放​​

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {for (;;) {int current = getState();int next = current + releases;if (next < current) throw new Error("Overflow");if (compareAndSetState(current, next))return true; // 成功释放}
}

• ​​支持跨线程释放​​：无“持有者”概念，任何线程均可释放。

(4) ​​特殊操作​​

• ​​drainPermits()​​：

  final int drainPermits() {for (;;) {int current = getState();if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))return current; // 返回被清空的许可数}
  }

• ​​reducePermits()​​：

  final void reducePermits(int reductions) {for (;;) {int current = getState();int next = current - reductions;if (next > current) throw new Error("Underflow");if (compareAndSetState(current, next))return;}
  }

典型应用场景​​

// 连接池资源控制（最大 100 个连接）
class ConnectionPool {private static final int MAX_CONNECTIONS = 100;private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_CONNECTIONS, true);public Connection getConnection() throws InterruptedException {available.acquire(); // 阻塞直到获取许可return createConnection();}public void releaseConnection(Connection conn) {closeConnection(conn);available.release(); // 释放许可}
}

• ​​作用​​：通过许可证数量限制并发资源访问，避免资源耗尽。