一文彻底弄懂JUC工具包的CountDownLatch的设计理念与底层原理
CountDownLatch
是 Java 并发包（
java.util.concurrent
）中的一个同步辅助类，它允许一个或多个线程等待一组操作完成。
一、设计理念
CountDownLatch
是基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现的。其核心思想是
维护一个倒计数
，每次倒计数减少到零时，等待的线程才会继续执行。它的主要设计目标是允许多个线程协调完成一组任务。
1. 构造函数与计数器
public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}
构造
CountDownLatch
时传入的
count
决定了计数器的初始值。该计数器控制了线程的释放。
2. AQS 支持的核心操作
AQS 是
CountDownLatch
的基础，通过自定义内部类
Sync
实现，
Sync
继承了 AQS 并提供了必要的方法。以下是关键操作：
acquireShared(int arg)
: 如果计数器值为零，表示所有任务已完成，线程将获得许可。releaseShared(int arg)
: 每次调用
countDown()
，会减少计数器，当计数器降到零时，AQS 将释放所有等待的线程。
3. 实现细节
countDown()
：调用
releaseShared()
减少计数器，并通知等待线程。await()
：调用
acquireSharedInterruptibly(1)
，如果计数器非零则阻塞等待。
二、底层原理
CountDownLatch
的核心是基于
AbstractQueuedSynchronizer
（AQS）来管理计数器状态的。AQS 是 JUC 中许多同步工具的基础，通过一个独占/共享模式的同步队列实现线程的管理和调度。
CountDownLatch
采用 AQS 的
共享锁机制
来控制多个线程等待一个条件。
1. AQS 的共享模式
AQS 设计了两种同步模式：
独占模式
（exclusive）和
共享模式
（shared）。
CountDownLatch
使用共享模式：
- 独占模式
：每次只能一个线程持有锁，如
ReentrantLock
。 - 共享模式
：允许多个线程共享锁状态，如
Semaphore
和
CountDownLatch
。
CountDownLatch
的
await()
和
countDown()
方法对应于 AQS 的
acquireShared()
和
releaseShared()
操作。
acquireShared()
会检查同步状态（计数器值），若状态为零则立即返回，否则阻塞当前线程，进入等待队列。
releaseShared()
用于减少计数器并唤醒所有等待线程。
2. Sync 内部类的设计
CountDownLatch
通过一个私有的内部类
Sync
来实现同步逻辑。
Sync
继承自
AQS
，并重写
tryAcquireShared(int arg)
和
tryReleaseShared(int arg)
方法。
static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
Sync(int count) {
setState(count);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// 自旋减计数器
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
int nextc = c - 1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
}
- tryAcquireShared(int)
：当计数器为零时返回 1（成功获取锁），否则返回 -1（阻塞）。 - tryReleaseShared(int)
：每次
countDown()
减少计数器值，当计数器到达零时返回
true
，唤醒所有阻塞线程。
3. CAS 操作确保线程安全
tryReleaseShared
方法使用 CAS（compare-and-set）更新计数器，避免了锁的开销。CAS 操作由 CPU 原语（如
cmpxchg
指令）支持，实现了高效的非阻塞操作。这种设计保证了
countDown()
的线程安全性，使得多个线程能够并发地减少计数器。
4. 内部的 ConditionObject
CountDownLatch
不支持复用，因为 AQS 的
ConditionObject
被设计为单一触发模式。计数器一旦降至零，
CountDownLatch
无法重置，只能释放所有线程，而不能再次设置初始计数器值。这就是其不可复用的根本原因。
三、应用场景
- 等待多线程任务完成
：
CountDownLatch
常用于需要等待一组线程完成其任务后再继续的场景，如批处理任务。 - 并行执行再汇总
：在某些数据分析或计算密集型任务中，将任务分割成多个子任务并行执行，主线程等待所有子任务完成后再汇总结果。 - 多服务依赖协调
：当一个服务依赖多个其他服务时，可以使用
CountDownLatch
来同步各个服务的调用，并确保所有依赖服务准备好之后再执行主任务。
四、示例代码
以下示例展示如何使用
CountDownLatch
实现一个并发任务等待所有子任务完成的机制。
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class CountDownLatchExample {
private static final int TASK_COUNT = 5;
private static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(TASK_COUNT);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < TASK_COUNT; i++) {
new Thread(new Task(i + 1, latch)).start();
}
// 主线程等待所有任务完成
latch.await();
System.out.println("所有任务已完成，继续主线程任务");
}
static class Task implements Runnable {
private final int taskNumber;
private final CountDownLatch latch;
Task(int taskNumber, CountDownLatch latch) {
this.taskNumber = taskNumber;
this.latch = latch;
}
@Override
public void run() {
try {
System.out.println("子任务 " + taskNumber + " 开始执行");
Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000)); // 模拟任务执行时间
System.out.println("子任务 " + taskNumber + " 完成");
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
latch.countDown(); // 完成一个任务，计数器减一
}
}
}
}
五、与其他同步工具的对比
1. CyclicBarrier
原理和用途
：
CyclicBarrier
也允许一组线程相互等待，直到所有线程到达屏障位置（barrier point）。- 它适合用于
多阶段任务
或
分阶段汇聚
，如处理分块计算时每阶段汇总结果。
底层实现
：
CyclicBarrier
内部通过
ReentrantLock
和
Condition
实现，屏障次数可以重置，从而支持循环使用。
与 CountDownLatch 的对比
：
CyclicBarrier
的
可复用性
使其适合重复的同步场景，而
CountDownLatch
是一次性的。CountDownLatch
更灵活，允许任意线程调用
countDown()
，适合分布式任务。
CyclicBarrier
需要指定的线程达到屏障。
2. Semaphore
原理和用途
：
Semaphore
主要用于
控制资源访问
的并发数量，如限制数据库连接池的访问。
底层实现
：
Semaphore
基于 AQS 的共享模式实现，类似于
CountDownLatch
，但允许通过指定的“许可证”数量控制资源。
与 CountDownLatch 的对比
：
Semaphore
可以动态增加/减少许可，而
CountDownLatch
只能递减。Semaphore
适合控制访问限制，而
CountDownLatch
用于同步点倒计数。
3. Phaser
原理和用途
：
Phaser
是
CyclicBarrier
的增强版，允许动态调整参与线程的数量。- 适合多阶段任务同步，并能随时增加或减少参与线程。
底层实现
：
Phaser
内部包含一个计数器，用于管理当前阶段的参与线程，允许任务动态注册或注销。
与 CountDownLatch 的对比
：
Phaser
更适合复杂场景，能够灵活控制阶段和参与线程；
CountDownLatch
的结构简单，只能用于一次性同步。Phaser
的设计更复杂，适合长时间、多线程协调任务，而
CountDownLatch
更适合简单任务等待。
4、总结
CountDownLatch
是一个轻量级、不可复用的倒计数同步器，适合简单的一次性线程协调。其基于 AQS 的共享锁实现使得线程等待和计数器更新具有高效的并发性。虽然
CountDownLatch
不具备重用性，但其设计简洁，尤其适合需要等待多线程任务完成的场景。
与其他 JUC 工具相比：
CyclicBarrier
更适合多阶段同步、阶段性汇总任务。Semaphore
适合资源访问控制，具有可控的许可量。Phaser
灵活性更高，适合动态参与线程、复杂多阶段任务。
选择适合的同步工具，取决于任务的性质、线程参与动态性以及是否需要重用同步控制。
