一文秒懂 Java CountDownLatch

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本章节我们来讨论下 java.util.concurrent.CountDownLatch 这个类,顺带演示下如何在一些实际例子中使用它。

CountDownLatch 类的作用呢? 怎么说呢? 简单来说,我们可以使用它来阻塞线程,直到其他线程完成给定任务。

并发编程中使用 CountDownLatch

简而言之,CountDownLatch 有一个计数器字段,我们可以根据需要减少它,因此,我们可以使用它来阻止调用线程,直到它被计数到零。

如果我们正在进行一些并行处理,我们可以使用与计数器相同的值来实例化 CountDownLatch,因为我们想要处理多个线程。然后,我们可以在每个线程完成后调用 countdown(),保证调用 await() 的依赖线程将阻塞,直到工作线程完成。

使用 CountDownLatch 等待线程池完成

我们通过创建一个 Worker 来尝试这个模式,并使用 CountDownLatch 字段来指示它何时完成

    public class Worker implements Runnable {
        private List<String> outputScraper;
        private CountDownLatch countDownLatch;

        public Worker(List<String> outputScraper, CountDownLatch countDownLatch) {
            this.outputScraper = outputScraper;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }

        @Override
        public void run() {
            doSomeWork();
            outputScraper.add("Counted down");
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

然后,我们创建一个测试,以证明我们可以让 CountDownLatch 等待 Worker 实例完成

    @Test
    public void whenParallelProcessing_thenMainThreadWillBlockUntilCompletion()
      throws InterruptedException {

        List<String> outputScraper = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        List<Thread> workers = Stream
          .generate(() -> new Thread(new Worker(outputScraper, countDownLatch)))
          .limit(5)
          .collect(toList());

          workers.forEach(Thread::start);
          countDownLatch.await(); 
          outputScraper.add("Latch released");

          assertThat(outputScraper)
            .containsExactly(
              "Counted down",
              "Counted down",
              "Counted down",
              "Counted down",
              "Counted down",
              "Latch released"
            );
    }

上面这个示例中,"Latch release" 将始终是最后一个输出 - 因为它取决于 CountDownLatch 的释放。

注意,如果我们没有调用 await() 方法,我们将无法保证线程执行的顺序,因此测试会随机失败。

在等待开始的线程池中使用 CountDownLatch

我们重用前面的示例,但是这次开启了了数千个线程而不是 5 个线程,很可能许多早期的线程在后面的线程上调用 start() 之前已经完成了处理。这可能会使尝试重现并发问题变得困难,因为我们无法让所有线程并行运行。

为了解决这个问题,我们让 CountdownLatch 的工作方式与上一个示例有所不同。在某些子线程完成之前,我们可以阻止每个子线程直到所有其他子线程都启动,而不是阻塞父线程。

我们把上一个示例的 run() 方法修改下,使其在处理之前阻塞

    public class WaitingWorker implements Runnable {

        private List<String> outputScraper;
        private CountDownLatch readyThreadCounter;
        private CountDownLatch callingThreadBlocker;
        private CountDownLatch completedThreadCounter;

        public WaitingWorker(
          List<String> outputScraper,
          CountDownLatch readyThreadCounter,
          CountDownLatch callingThreadBlocker,
          CountDownLatch completedThreadCounter) {

            this.outputScraper = outputScraper;
            this.readyThreadCounter = readyThreadCounter;
            this.callingThreadBlocker = callingThreadBlocker;
            this.completedThreadCounter = completedThreadCounter;
        }

        @Override
        public void run() {
            readyThreadCounter.countDown();
            try {
                callingThreadBlocker.await();
                doSomeWork();
                outputScraper.add("Counted down");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                completedThreadCounter.countDown();
            }
        }
    }

接下来,我们修改下测试,直到所有工人都已启动,解锁工人,然后阻止,直到工人完成

    @Test
    public void whenDoingLotsOfThreadsInParallel_thenStartThemAtTheSameTime()
     throws InterruptedException {

        List<String> outputScraper = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
        CountDownLatch readyThreadCounter = new CountDownLatch(5);
        CountDownLatch callingThreadBlocker = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch completedThreadCounter = new CountDownLatch(5);
        List<Thread> workers = Stream
          .generate(() -> new Thread(new WaitingWorker(
            outputScraper, readyThreadCounter, callingThreadBlocker, completedThreadCounter)))
          .limit(5)
          .collect(toList());

        workers.forEach(Thread::start);
        readyThreadCounter.await(); 
        outputScraper.add("Workers ready");
        callingThreadBlocker.countDown(); 
        completedThreadCounter.await(); 
        outputScraper.add("Workers complete");

        assertThat(outputScraper)
          .containsExactly(
            "Workers ready",
            "Counted down",
            "Counted down",
            "Counted down",
            "Counted down",
            "Counted down",
            "Workers complete"
          );
    }

这种模式对于尝试重现并发错误非常有用,可以用来强制数千个线程尝试并行执行某些逻辑。

让 CountdownLatch 尽早结束

有时,我们可能会遇到一个情况,即在 CountdownLatch 倒计时之前,Workers 已经终止了错误。这可能导致它永远不会达到零并且 await() 永远不会终止。

    @Override
    public void run() {
        if (true) {
            throw new RuntimeException("Oh dear, I'm a BrokenWorker");
        }
        countDownLatch.countDown();
        outputScraper.add("Counted down");
    }

我们修改下之前的测试以使用 BrokenWorker,来演示 await() 将如何永久阻塞

    @Test
    public void whenFailingToParallelProcess_thenMainThreadShouldGetNotGetStuck()
      throws InterruptedException {

        List<String> outputScraper = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        List<Thread> workers = Stream
          .generate(() -> new Thread(new BrokenWorker(outputScraper, countDownLatch)))
          .limit(5)
          .collect(toList());

        workers.forEach(Thread::start);
        countDownLatch.await();
    }

显然,这不是我们想要的行为 - 应用程序继续比无限阻塞要好得多。

为了解决这个问题,我们在调用 await() 时添加一个超时参数。

    boolean completed = countDownLatch.await(3L, TimeUnit.SECONDS);
    assertThat(completed).isFalse();

然后,我们可以看到,测试最终会超时,await() 将返回 false


来源:https://www.twle.cn

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