JAVA并发编程系列(8)CountDownLatch核心原理

本文涉及的产品
云原生网关 MSE Higress,422元/月
注册配置 MSE Nacos/ZooKeeper,118元/月
服务治理 MSE Sentinel/OpenSergo,Agent数量 不受限
简介: 面试中的编程题目“模拟拼团”,我们通过使用CountDownLatch来实现多线程条件下的拼团逻辑。此外,深入解析了CountDownLatch的核心原理及其内部实现机制,特别是`await()`方法的具体工作流程。通过详细分析源码与内部结构,帮助读者更好地理解并发编程的关键概念。

拼多多 D2面试,现场编程模拟拼团,10人拼团成功。限时2分钟!开始吧.....!

在面试过程经常有算法题、模拟现实案例、经典功能设计、核心原理分析等。这些看似简单,实际需要候选人有非常扎实的基础,才能应付这些八股考古面试。


和之前文章一样,我们通过现实案例出发,最后抛出主角的方式,带大家由浅入深地了解并发编程核心知识点。


一、面试真题:模拟拼团


    我们利用CountDownLatch倒计时的特性,多线程并发条件下,多线程可以调用CountDownLatch.countDown()方法进行减1,然后等候信号的线程调用CountDownLatch.await()方法,等待CountDownLatch倒数为0,会被唤醒继续执行。


package lading.java.mutithread;
import java.util.HashSet;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * 模拟拼团,满10人成团
 */
public class Demo009CountDownLatch {
    public static int total = 10;//成团人数
    public static CountDownLatch buySuccess = new CountDownLatch(total);//倒数门闩
    public static HashSet<String> customersName = new HashSet<>();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //10个线程,模拟10个客户参团,参团后CountDownLatch.countDown();
        for (int i = 0; i < total; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                buySuccess.countDown();//参团后,计数减一
                customersName.add(Thread.currentThread().getName());
            }, "客户" + (i + 1) + "参团").start();
        }
        //主线程进行超限等待阻塞,如果CountDownLatch值为0,会被唤醒;如果超时也会唤醒继续执行
        buySuccess.await(5, TimeUnit.SECONDS);//限时5秒,5秒不成团就超时
        //判断是否参团成功
        if (customersName.size() == total) {
            System.out.println("拼团成功,参团客户有:" + customersName);
        } else {
            System.out.println("拼团失败,参团客户数量不足" + total + ",目前参数人数为:" + customersName);
        }
    }
}


二、说说CountDownLatch的核心原理


      看了CountDownLatch源码,发现这个也是JUC家族兄弟,和之前说的《Semaphore信号量剖析》《ReentrantLock核心原理剖析》有非常多相似的地方,都是AQS实现。AQS原理我们之前也专门说过《AQS原理剖析》,以及AQS底层通过CAS的实现,这个《JUC包之CAS原理》也有详细剖析。

      先看一下CountDownLatch类结构图,是JUC包里几个兄弟里代码最少最简单的一个。



      其中唯一的内部类Sync,实现了AQS队列同步器。AQS里面的核心变量volatile int state,就是个共享变量。new CountDownLatch(count )构造器变量count实际就是AQS的state。通过多线程countDown()去修改state值,达到多线程协同效果。



CountDownLatch核心方法就2个,非常简单:


await():调用该方法的线程进行阻塞,等待count值为0被唤醒,继续执行。以及可以设置超时时间,超时后,该阻塞线程就会重行执行。


countDown():就是减一。源码如下,获取到state值后,通过CAS去减1.里面没有竞争锁的逻辑,也没有公平锁、非公平锁这些。


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;
            }
        }
    }


三、说说CountDownLatch的await()方法是如何实现的


大佬问的很细。确实整个CountDownLatch核心的核心就是await(),方法。那个countDown()实在没啥好说的。

我们具体总结一下await():

1、先判断线程是否已中断,如果中断就抛出线程中断异常。


//1 await()方法
    public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    
   //2 await()里面的acquireSharedInterruptibly()
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }


2、判断state值是否为0,如果是0,那就继续运行。

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
      return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}


3、如果不是0,就要做线程阻塞等待的准备。具体如下:

先构建一个共享模式NODE节点,并把它放到AQS的FIFO队列里。

然后开始自旋,不断判断当前FIFO队列里,自己是否为头节点,以及判断state共享变量是否为0.就干这点事。


private void doAcquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //如果自己是头节点,且state值是0,说明CountDown的倒计时已经为0,不用再等了。
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                //判断是否要挂起当前线程
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
            //如果出现失败或者异常,就取消该节点,唤醒后续节点
                cancelAcquire(node);
        }
    }

今天就分享到这,明天我们分享CyclicBarrier。

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