Java并发特性之CountDownLatch详解！
CountDownLatch 是 Java 中的一个用于管理并发控制的同步辅助类，允许一个或多个线程等待其他线程完成操作，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，我们将深度剖析其工作原理。
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。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：
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。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。
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。
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。
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;
}
}
}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：
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.");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();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();
}
}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。
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。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。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。
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。
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。
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：
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
