一、前言
最近在研究java.util.concurrent包下的一些的常用類，之前寫了AQS、ReentrantLock、ArrayBlockingQueue以及LinkedBlockingQueue的相關博客，今天這篇博客就來寫一寫並發包下的另一個常用類——CountDownLatch。這里首先要說明一點，CountDownLatch是基於AQS實現的，AQS才是真正實現了線程同步的組件，CountDownLatch只是它的使用者，所以如果想要學習CountDownLatch，請一定先要弄懂AQS的實現原理。我以下的描述均建立在已經了解AQS的基礎之上。我之前寫過一篇AQS實現原理的分析博客，感興趣可以看一看：並發——抽象隊列同步器AQS的實現原理。
二、正文
2.1 抽象隊列同步器AQS
在說CountDownLatch前，必須要先提一下AQS。AQS全稱抽象隊列同步器（AbstractQuenedSynchronizer），它是一個可以用來實現線程同步的基礎框架。當然，它不是我們理解的Spring這種框架，它是一個類，類名就是AbstractQuenedSynchronizer，如果我們想要實現一個能夠完成線程同步的鎖或者類似的同步組件，就可以在使用AQS來實現，因為它封裝了線程同步的方式，我們在自己的類中使用它，就可以很方便的實現一個我們自己的鎖。
AQS的實現相對復雜，無法通過短短的幾句話將其說清楚，我之前專門寫過一篇分析AQS實現原理的博客：並發——抽象隊列同步器AQS的實現原理。
在閱讀下面的內容前，請一定要先學習AQS的實現原理，因為CountDownLatch的實現非常簡單，完全就是依賴於AQS的，所以我以下的描述均建立在已經理解AQS的基礎之上。可以閱讀上面推薦博客，也可以自己去查閱相關資料。
2.2 CountDownLatch的實現原理
既然已經開始學習CountDownLatch的實現原理了，那一定已經知道了它的作用，我這里就不詳細展示了，簡單介紹一下：CountDownLatch的被稱為門栓，可以將它看成是門上的鎖，它會給門上多把鎖，只有每一把鎖都解開，才能通過。對於線程來說，CountDownLatch會阻塞線程的運行，只有當CountDownLatc內部記錄的值減小為0，線程才能繼續向前執行。
CountDownLatch底層通過AQS實現，AQS的一般使用方式就是以內部類的形式繼承它，CountDownLatch就是這么使用它的。在CountDownLatch內部有一個內部類Sync，繼承自AQS，並重寫了AQS加鎖解鎖的方法，並通過Sync的對象，調用AQS的方法，阻塞線程的運行。我們知道，創建一個CountDownLatch對象時，需要傳入一個整數值count，只有當count被減小為0時線程才能通過await方法，否則將被await阻塞。這里實際上是這樣的：當線程運行到await方法時，需要去獲取鎖（鎖由AQS實現），若count不為0，則線程就會獲取鎖失敗，被阻塞；若count為0，則就能順利通過。CountDownLatch是一次性的，因為沒有方法可以增加count的值，也就是說，一旦count被減小為0，則之后就一直是0了，也就再也不能阻塞線程了。下面我們就從源碼的角度來分析CountDownLatch。
2.3 CountDownLatch的內部類
前面我們說過，CountDownLatch內部定義了一個內部類Sync，繼承自AQS，通過這個內部類來實現線程阻塞，下面我們就來看一看這個內部類的實現：
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
/** 構造方法，接收count值，只有count減小為0時，線程才不會被await方法阻塞 */
Sync(int count) {
// CountDownLatch利用AQS的方式就是直接讓count作為AQS的同步變量state
// 所以直接用state記錄count值
setState(count);
}
/** 獲取當前的count值 */
int getCount() {
return getState();
}
/**
* 這是AQS的模板方法acquireShared、acquireSharedInterruptibly等方法內部將會調用的方法，
* 由子類實現，這個方法的作用是嘗試獲取一次共享鎖，對於AQS來說，
* 此方法返回值大於等於0，表示獲取共享鎖成功，反之則獲取共享鎖失敗，
* 而在這里，實際上就是判斷count是否等於0，線程能否向下運行
*/
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
// 此處判斷state的值是否為0，也就是判斷count是否為0，
// 若count為0，返回1，表示獲取鎖成功，此時線程將不會阻塞，正常運行
// 若count不為0，則返回-1，表示獲取鎖失敗，線程將會被阻塞
// 從這里我們已經可以看出CountDownLatch的實現方式了
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
/**
* 此方法的作用是用來是否AQS的共享鎖，返回true表示釋放成功，反之則失敗
* 此方法將會在AQS的模板方法releaseShared中被調用，
* 在CountDownLatch中，這個方法用來減小count值
*/
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// 使用死循環不斷嘗試釋放鎖
for (;;) {
// 首先獲取當前state的值，也就是count值
int c = getState();
// 若count值已經等於0，則不能繼續減小了，於是直接返回false
// 為什么返回的是false，因為等於0表示之前等待的那些線程已經被喚醒了，
// 若返回true，AQS會嘗試喚醒線程，若返回false，則直接結束，所以
// 在沒有線程等待的情況下，返回false直接結束是正確的
if (c == 0)
return false;
// 若count不等於0，則將其-1
int nextc = c-1;
// compareAndSetState的作用是將count值從c，修改為新的nextc
// 此方法基於CAS實現，保證了操作的原子性
if (compareAndSetState(c, nextc))
// 若nextc == 0，則返回的是true，表示已經沒有鎖了，線程可以運行了，
// 若nextc > 0，則表示線程還需要繼續阻塞，此處將返回false
return nextc == 0;
}
}
}
可以看到，內部類Sync的實現非常簡單，它只實現了AQS中的兩個方法，即tryAcquireShared以及tryReleaseShared，這兩個方法是AQS提供的使用共享鎖的接口。這也就表明，CountDownLatch實際上是一種共享鎖機制，即鎖可以同時被多個線程獲取，這個不難理解，因為一旦count被減小為0，則所有線程通過await方法時，都能夠順利通過，不會因為獲取不到鎖而阻塞。而且從上面的實現中我們可以看到，Sync直接將count值作為AQS的state的值，只有state的值為0，線程才能獲取鎖，也就是獲得執行權限。
2.4 CountDownLatch的成員變量和構造方法
下面來看一看CountDownLatch的屬性和構造方法：
/**
* 只有一個成員變量，就是內部類Sync的一個對象，通過此對象調用AQS的方法，實現線程阻塞和喚醒
*/
private final Sync sync;
/**
* 只有一個構造方法，接收一個count值
*/
public CountDownLatch(int count) {
// count值不能小於0
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
// 直接創建一個Sync對象，並傳入count值，Sync內部將會執行setState(count)
this.sync = new Sync(count);
}
2.5 await方法分析
CountDownLatch類最最核心的兩個方法就是await以及ountDown，我們先來看一看await方法的實現：
// 此方法用來讓當前線程阻塞，直到count減小為0才恢復執行
public void await() throws InterruptedException {
// 這里直接調用sync的acquireSharedInterruptibly方法，這個方法定義在AQS中
// 方法的作用是嘗試獲取共享鎖，若獲取失敗，則線程將會被加入到AQS的同步隊列中等待
// 直到獲取成功為止。且這個方法是會響應中斷的，線程在阻塞的過程中，若被其他線程中斷，
// 則此方法會通過拋出異常的方式結束等待。
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
await的實現異常簡單，只有短短一行代碼，調用了AQS中已經封裝好的方法。這就是AQS的好處，AQS已經實現了線程的阻塞和喚醒機制，將實現的復雜性隱藏，而其他類只需要簡單的使用它即可。為了方便理解，我們還是來看看acquireSharedInterruptibly方法吧：
/** 此方法是AQS中提供的一個模板方法，用以獲取共享鎖，並且會響應中斷 */
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 首先判斷當前線程釋放被中斷，若被中斷，則直接拋出異常結束
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 調用tryAcquireShared方法嘗試獲取鎖，這個方法被Sycn類重寫了，
// 若count == 0，則這個方法會返回1，表示獲取鎖成功，則這里會直接返回，線程不會被阻塞
// 若count < 0，將會執行下面的doAcquireSharedInterruptibly方法，
// 此處請去查看Sync中tryAcquireShared方法的實現
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
// 下面這個方法的作用是，線程獲取鎖失敗，將會加入到AQS的同步隊列中阻塞等待，
// 直到成功獲取到鎖，而此處成功獲取到鎖的條件就是count == 0，若當前線程在等待的過程中，
// 成功地獲取了鎖，則它會繼續喚醒在它后面等待的線程，也嘗試獲取鎖，
// 這也就是說，只要count == 0了，則所有被阻塞的線程都能恢復運行
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
相信看到這里，對CountDownLatch的實現原理已經有一個比較清晰的理解了。CountDownLatch的實現完全就是依賴於AQS的，所有再次提醒，如果以上內容理解不了，請先去學習AQS。
2.6 countDown方法分析
下面我們來分析CountDownLatch中另一個核心的方法——countDown，
/**
* 此方法的作用就是將count的值-1，如果count等於0了，就喚醒等待的線程
*/
public void countDown() {
// 這里直接調用sync的releaseShared方法，這個方法的實現在AQS中，也是AQS提供的模板方法，
// 這個方法的作用是當前線程釋放鎖，若釋放失敗，返回false，若釋放成功，則返回false，
// 若鎖被釋放成功，則當前線程會喚醒AQS同步隊列中第一個被阻塞的線程，讓他嘗試獲取鎖
// 對於CountDownLatch來說，釋放鎖實際上就是讓count - 1，只有當count被減小為0，
// 鎖才是真正被釋放，線程才能繼續向下運行
sync.releaseShared(1);
}
為了方便理解，我們還是來看一看AQS中releaseShared方法的實現：
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 調用tryReleaseShared嘗試釋放鎖，這個方法已經由Sycn重寫，請回顧上面對此方法的分析
// 若tryReleaseShared返回true，表示count經過這次釋放后，等於0了，於是執行doReleaseShared
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 這個方法的作用是喚醒AQS的同步隊列中，正在等待的第一個線程
// 而我們分析acquireSharedInterruptibly方法時已經說過，
// 若一個線程被喚醒，檢測到count == 0，會繼續喚醒下一個等待的線程
// 也就是說，這個方法的作用是，在count == 0時，喚醒所有等待的線程
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
三、總結
如果直接去看CountDownLatch的源碼會發現，它的實現真的非常簡單，包括注釋在內，總共300行代碼，除去注釋，連100行代碼都不到。因為它所作的工作，除了重寫AQS的兩個方法外，其余的基本上就是調用AQS提供的模板方法而已。所以，理解CountDownLatch的過程，實際上是理解AQS的過程，只要理解了AQS，看懂CountDownLatch的原理，不需要5分鍾。AQS真的是Java並發中非常重要的一個組件，很多類都是基於它實現的，比如還有ReentrantLock，同時AQS也是面試中的常考點，所以一定要好好研究。最后再次推薦我之前編寫的有關AQS的源碼分析博客：並發——抽象隊列同步器AQS的實現原理。
四、參考
- JDK1.8源碼