java面试题-Semaphore、CountDownLatch 的实现原理是什么？

引言

在多线程编程中，Semaphore（信号量）和CountDownLatch（倒计时门栓）是两个常用的同步工具，用于协调线程的执行流程。本教程将深入浅析Semaphore和CountDownLatch的实现原理，通过详细的示例代码和解析，帮助初学者深入理解这两个工具的内部机制。

1. Semaphore（信号量）的实现原理

1.1 概念介绍

Semaphore通过new Semaphore(permits)来创建，其中permits表示同一时间可以执行多少个线程。通过acquire来获得许可，通过release来释放许可。在同一时间只允许permits个线程同时运行。

1.2 实现原理解析

1. 调用new Semaphore(permits)时，内部创建了一个NonfairSync对象，permits表示信号量的初始值。
2. 当调用acquire()申请许可时，实际上调用了NonfairSync的nonfairTryAcquireShared方法。
3. 获取共享锁的过程是调用nonfairTryAcquireShared方法，将state减1，如果state小于0，则表示许可不足，申请许可失败，当前线程会构造成Waiter结点放入同步队列中。
4. 如果state大于等于0，通过CAS（Compare and Swap）去更新state的值，如果CAS失败，则会一直循环尝试，直到成功。
5. 如果CAS设置成功，表示持有锁成功。
6. 如果CAS设置锁失败，将当前线程构造成Waiter结点放入同步队列中，线程处于等待状态。
7. 当调用release后或发生线程中断时，等待的线程开始争抢锁。

1.3 示例代码

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);

    public void executeTask() {
        try {
            semaphore.acquire(); // 获取许可
            // 执行任务的逻辑
            // ...
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release(); // 释放许可
        }
    }
}

在上述代码中，通过acquire获取许可，执行任务的逻辑，然后通过release释放许可。

2. CountDownLatch的实现原理

2.1 概念介绍

CountDownLatch内部维护了一个计数器，通过countDown方法将计数器减1，当计数器为0时，所有阻塞的线程从await方法返回。

2.2 实现原理解析

CountDownLatch的原理主要涉及到计数器的减少和阻塞线程的唤醒。

1. 每次调用countDown方法会将内部计数器减1。
2. 如果计数器为0，唤醒所有阻塞在await上的线程。
3. 阻塞的线程在await时，会检查计数器是否为0，如果不为0，线程将被挂起。
4. 如果计数器为0，线程被唤醒，继续执行后续逻辑。

2.3 示例代码

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchExample {
    private final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

    public void executeTask() {
        // 执行任务的逻辑
        // ...

        latch.countDown(); // 计数器减1
    }

    public void awaitCompletion() {
        try {
            latch.await(); // 阻塞等待计数器为0
            // 所有任务完成后的逻辑
            // ...
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上述代码中，通过countDown方法将计数器减1，通过await方法阻塞等待计数器为0，从而实现线程协作的效果。

3. 总结

本教程深入浅析了Semaphore和CountDownLatch的实现原理，通过分析其内部机制和提供的API，帮助初学者更好地理解和应用这两个同步工具。通过示例代码演示，使读者能够清晰地了解在实际编程中如何使用Semaphore和CountDownLatch。