前言
JUC 是Java并发编程工具类库，提供了一些常用的并发工具，例如锁、信号量、计数器、事件循环、线程池、并发集合等。这些工具可以帮助开发人员简化并发编程的复杂性，提高程序效率和可靠性。
CountDownLatch
CountDownLatch应用
CountDownLatch本身就好像一个计数器，可以等待一个或多个线程完成后再执行，其基于AQS实现。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
new Thread(() -> {
System.out.println("111");
countDownLatch.countDown();
}).start();
new Thread(() -> {
System.out.println("222");
countDownLatch.countDown();
}).start();
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("333");
countDownLatch.countDown();
}).start();
// 主线会阻塞在这个位置，直到CountDownLatch的state变为0
countDownLatch.await();
System.out.println("main");
}CountDownLatch核心源码
// CountDownLatch 的有参构造
public CountDownLatch(int count) {
// 健壮性校验
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
// 构建Sync给AQS的state赋值
this.sync = new Sync(count);
}countDown方法，本质就是调用了AQS的释放共享锁操作
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 唤醒在AQS队列中排队的线程。
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
// countDownLatch实现的业务
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
// state - 1
int nextc = c-1;
// 用CAS赋值
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
// 如果CountDownLatch中的state已经为0了，那么再次执行countDown跟没执行一样。
// 而且只要state变为0，await就不会阻塞线程。功能都是AQS提供的，只有tryReleaseShared需要实现的类自己去编写业务。
await方法，调用了AQS提供的获取共享锁并且允许中断的方法
// await方法
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// AQS获取共享锁并且允许中断的方法
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// countDownLatch操作
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
// 如果返回的是-1，代表state肯定大于0
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
// CountDownLatch实现的tryAcquireShared
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
// state为0，返回1,。否则返回-1
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
// 让当前线程进到AQS队列，排队去
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
// 将当前线程封装为Node，并且添加到AQS的队列中
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
// 再次走上面的tryAcquireShared，如果返回的是的1，代表state为0
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// 会将当前线程和后面所有排队的线程都唤醒。
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}Semaphore
Semaphore应用
Semaphore一般用于流控。比如有一个公共资源，多线程都可以访问时，Semaphore可以当作信号量做限制。每当有一个线程获取连接对象时，对信号量-1，当这个线程归还资源时对信号量+1。如果线程拿资源时，发现Semaphore内部的资源个数为0，就会被阻塞。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
// 声明信号量
Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
// 能否去拿资源
semaphore.acquire();
// 拿资源处理业务
System.out.println("main");
// 归还资源
semaphore.release();
}Semaphore核心源码
Semaphore有公平和非公平两种竞争资源的方式。
//
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
// 设置资源个数，State其实就是信号量的资源个数
Sync(int permits) {
setState(permits);
}在调用 acquire 获取资源时也是基于AQS提供的获取共享锁方法。
release就是将state+1，归还资源。
// 两个一起 阿巴阿巴
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 唤醒在AQS中排队的Node，去竞争资源
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
// 信号量实现的归还资源
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
// 拿state
int current = getState();
// state + 1
int next = current + releases;
// 资源最大值，再+1，变为负数
if (next < current)
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
// CAS 改一手
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}共享锁在释放资源后，如果头节点为0，无法确认真的没有后继节点。如果头节点为0，需要将头节点的状态修改为-3，当最新拿到锁资源的线程，查看是否有后继节点并且为共享锁，就唤醒排队的线程
CyclicBarrier
CyclicBarrier应用
CyclicBarrier 一般称为栅栏，和CountDownLatch很像。CountDownLatch在操作时，只能使用一次，也就是state变为0之后，就无法再使用了。CyclicBarrier是可以复用的，他的计数器可以归位，然后再处理。而且可以在计数过程中出现问题后，重置当前CyclicBarrier，再次重新操作！
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
// 声明栅栏
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3,() -> {
System.out.println("开始！");
});
new Thread(() -> {
System.out.println("第一位选手到位");
try {
barrier.await();
System.out.println("第一位往死里跑！");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
new Thread(() -> {
System.out.println("第二位选手到位");
try {
barrier.await();
System.out.println("第二位也往死里跑！");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
System.out.println("裁判已经到位");
barrier.await();
}CyclicBarrier核心源码
CyclicBarrier没有直接使用AQS，而是使用ReentrantLock，间接的使用AQS
// CyclicBarrier的有参
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {、
// 健壮性判断！
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
// parties是final修饰的，需要在重置时，使用！
this.parties = parties;
// count是在执行await用来计数的。
this.count = parties;
// 当计数count为0时 ，先执行这个Runnnable！在唤醒被阻塞的线程
this.barrierCommand = barrierAction;
}线程执行await方法，会对count-1，再判断count是否为0，如果不为0，需要添加到AQS中的ConditionObject的Waiter队列中排队，并park当前线程。如果为0，证明线程到齐，需要执行nextGeneration，会先将Waiter队列中的Node全部转移到AQS的队列中，没有后继节点设置为0。然后重置count和broker标记。等到unlock执行后，每个线程都会被唤醒。
private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException {
// 相当于synchronized中使用wait和notify
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 里面就是boolean，默认false
final Generation g = generation;
// 判断之前栅栏加入线程时，是否有超时、中断等问题，如果有，设置boolean为true，其他线程再进来，直接凉凉
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
if (Thread.interrupted()) {
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
// 对计数器count--
int index = --count;
// 如果--完，是0，代表突破栅栏，干活！
if (index == 0) {
// 默认false
boolean ranAction = false;
try {
// 如果你用的是2个参数的有参构造，说明你传入了任务，index == 0，先执行CyclicBarrier有参的任务
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null)
command.run();
// 设置为true
ranAction = true;
nextGeneration();
return 0;
} finally {
if (!ranAction)
breakBarrier();
}
}
// --完之后，index不是0，代表还需要等待其他线程
for (;;) {
try {
// 如果没设置超时时间。 await()
if (!timed)
trip.await();
// 设置了超时时间。 await(1,SECOND)
else if (nanos > 0L)
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException ie) {
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier();
throw ie;
} else {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
if (g != generation)
return index;
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
// 挂起线程
public final void await() throws InterruptedException {
// 允许中断
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 添加到队列（不是AQS队列，是AQS里的ConditionObject中的队列）
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 挂起当前线程
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
}
// count到0，唤醒所有队列里的线程线程
private void nextGeneration() {
// 这个方法就是将Waiter队列中的节点遍历都扔到AQS的队列中，真正唤醒的时机，是unlock方法
trip.signalAll();
// 重置计数器
count = parties;
// 重置异常判断
generation = new Generation();
}总结
使用这些工具类时需要注意：
- Semaphore的使用要避免死锁和过度同步导致的性能问题。
- CyclicBarrier在屏障点之后的代码要保证所有线程都能正确执行，否则可能导致部分线程一直等待。
- CountDownLatch的countDown方法要保证在所有线程执行完毕之前被调用，否则可能导致部分线程一直等待。
根据具体的应用场景选择合适的工具类，正确使用并合理设计并发策略，可以提高程序的效率和可靠性。
