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并发编程之CyclicBarrier原理与使用

2024-12-03 16:11

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前言

控制并发流程的工具类，作用就是帮助我们程序员更容易的让线程之间合作，让线程之间相互配合来满足业务逻辑。比如让线程A等待线程B执行完毕后再执行等合作策略。

控制并发流程的工具类主要有：

简介

从字面意思看，这个类的中文意思是“循环栅栏”。大概的意思就是一个可循环利用的屏障。它的作用就是会让所有线程都等待完成后才会继续下一步行动。

举个例子，就像生活中我们会约朋友到某个餐厅一起吃饭，有些朋友可能会早到，有些朋友可能会晚到，但这个餐厅规定必须等到所有人到期之后才会让我们进去。这里的朋友们就各个线程，餐厅就是CyclicBarrier。

在JUC包中为我们提供了一个同步工具类能够很好的模拟这类场景，它就是CyclicBarrier类。利用CyclicBarrier类可以实现一组线程相互等待，当所有线程都到达某个屏障点后再进行后续的操作。下图演示了这一过程。

应用场景

可用于多线程计数数据，最后合并计数结果的场景。

使用CyclicBarrier实现等待的线程都被称为参与方。参与方只需要执行cyclicBarrier.await() 就可以实现等待。由于CyclicBarrier内部维护了一个显示锁，这可以知道参与方中谁最后一个执行cyclicBarrier.await() 。当最后一个线程执行完，会使得使用相应CyclicBarrier实例的其他参与方被唤醒，而最后一个线程自身不会被暂停。其流程图如下：

public static void main(String[] args) { 
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(7,() ->{ 
            System.out.println("****召唤神龙"); 
        }); 
        for(int i = 1;i <= 7; i++){ 
            int finalI = i; 
            new Thread(() -> { 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 收集到第"+ finalI +"颗龙珠"); 
                try { 
                    cyclicBarrier.await(); 
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } catch (BrokenBarrierException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } 
            },String.valueOf(i)).start(); 
        } 
    }

源码分析

CyclicBarrier 类图

CyclicBarrier是包含了 “ReentrantLock对象lock” 和 “Condition对象trip”，它是通过独占锁实现的。

其内部主要变量和方法如下：

成员变量

//同步操作锁

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

//同步操作锁 
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 
//线程拦截器 
private final Condition trip = lock.newCondition(); 
//每次拦截的线程数 
private final int parties; 
//换代前执行的任务 
private final Runnable barrierCommand; 
//表示栅栏的当前代 
private Generation generation = new Generation(); 
//计数器 
private int count; 
  
//静态内部类Generation 
private static class Generation { 
  boolean broken = false; 
}

可以看到 CyclicBarrier 内部是通过条件队列 trip 来对线程进行阻塞的，并且其内部维护了两个 int 型的变量 parties 和 count：

parties 表示每次拦截的线程数，该值在构造时进行赋值;
count 是内部计数器，它的初始值和 parties 相同，以后随着每次 await 方法的调用而减 1，直到减为 0 就将所有线程唤醒。

CycliBarrier 有一个静态内部类 Generation，该类的对象代表栅栏的当前代，就像玩游戏时代表的本局有些，利用它可以实现循环等待。barrierCommand 表示换代前执行的任务，当 count 减为 0 时表示本局游戏结束，需要转到下一句。在转到下一句游戏之前会将所有阻塞的线程唤醒，在唤醒所有线程之前你可以通过指定 barrierCommand 来执行自己的任务。

构造函数

主要提供了两个构造方法

public CyclicBarrier(int parties) { 
 this(parties, null); 
} 
 
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) { 
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException(); 
    // parties表示“必须同时到达barrier的线程个数”。 
    this.parties = parties; 
    // count表示“处在等待状态的线程个数”。 
    this.count = parties; 
    // barrierCommand表示“parties个线程到达barrier时，会执行的动作”。 
    this.barrierCommand = barrierAction; 
}

解析：

parties 是参与线程的个数
第二个构造方法有一个Runnable参数，这个参数的意思是最后一个到达线程要执行的动作。

重要方法

CyclicBarrier类最主要的功能就是使先到达屏障点的线程阻塞并等待后面的线程，其中它提供了两种等待的方法，分别是定时等待和非定时等待。

await()方法

//非定时等待 
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { 
  try { 
    return dowait(false, 0L); 
  } catch (TimeoutException toe) { 
    throw new Error(toe); 
  } 
} 
  
//定时等待 
public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException { 
  return dowait(true, unit.toNanos(timeout)); 
}

解析：

线程调用await()表示总结已经到达栅栏
BrokenBarrierException表示栅栏已经被破坏，破坏的原因可能是其中一个线程await()时被中断或者超时。

dowait()方法

可以看到不管是定时等待还是非定时等待，它们都调用了dowait方法，只不过是传入的参数不同而已。下面我们就来看看dowait方法都做了些什么。

//核心等待方法 
private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException { 
  // 显示锁 
  final ReentrantLock lock = this.lock; 
  lock.lock(); 
  try { 
    final Generation g = generation; 
    //检查当前栅栏是否被打翻 
    if (g.broken) { 
      throw new BrokenBarrierException(); 
    } 
    //检查当前线程是否被中断 
    if (Thread.interrupted()) { 
      //如果当前线程被中断会做以下三件事 
      //1.打翻当前栅栏 
      //2.唤醒拦截的所有线程 
      //3.抛出中断异常 
      breakBarrier(); 
      throw new InterruptedException(); 
    } 
    //每次都将计数器的值减1 
    int index = --count; 
    //计数器的值减为0则需唤醒所有线程并转换到下一代 
    if (index == 0) { 
      boolean ranAction = false; 
      try { 
        //唤醒所有线程前先执行指定的任务 
        final Runnable command = barrierCommand; 
        if (command != null) { 
          command.run(); 
        } 
        ranAction = true; 
        //唤醒所有线程并转到下一代 
        nextGeneration(); 
        return 0; 
      } finally { 
        //确保在任务未成功执行时能将所有线程唤醒 
        if (!ranAction) { 
          breakBarrier(); 
        } 
      } 
    } 
  
    //如果计数器不为0则执行此循环 
    for (;;) { 
      try { 
        //根据传入的参数来决定是定时等待还是非定时等待 
        if (!timed) { 
          trip.await(); 
        }else if (nanos > 0L) { 
          nanos = trip.awaitNanos(nanos); 
        } 
      } catch (InterruptedException ie) { 
        //若当前线程在等待期间被中断则打翻栅栏唤醒其他线程 
        if (g == generation && ! g.broken) { 
          breakBarrier(); 
          throw ie; 
        } else { 
          //若在捕获中断异常前已经完成在栅栏上的等待, 则直接调用中断操作 
          Thread.currentThread().interrupt(); 
        } 
      } 
      //如果线程因为打翻栅栏操作而被唤醒则抛出异常 
      if (g.broken) { 
        throw new BrokenBarrierException(); 
      } 
      //如果线程因为换代操作而被唤醒则返回计数器的值 
      if (g != generation) { 
        return index; 
      } 
      //如果线程因为时间到了而被唤醒则打翻栅栏并抛出异常 
      if (timed && nanos <= 0L) { 
        breakBarrier(); 
        throw new TimeoutException(); 
      } 
    } 
  } finally { 
    lock.unlock(); 
  } 
}

上面执行的代码相对比较容易看懂，我们再来看一下执行流程：

获得显示锁，判断当前线程状态是否被中断，如果是，则执行 breakBarrier 方法，唤醒之前阻塞的所有线程，并将计数器重置;
计数器 count 减 1，如果 count == 0，表示最后一个线程达到栅栏，接着执行之前指定的 Runnable 接口，同时执行 nextGeneration 方法进入下一代;
否则，进入自旋，判断当前线程是进入定时等待还是非定时等待，如果在等待过程中被中断，执行 breakBarrier 方法，唤醒之前阻塞的所有线程;
判断是否是因为执行 breakBarrier 方法而被唤醒，如果是，则抛出异常;
判断是否是正常的换代操作而被唤醒，如果是，则返回计数器的值;
判断是否是超时而被唤醒，如果是，则唤醒之前阻塞的所有线程，并抛出异常;
释放锁。

breakBarrier()方法

private void breakBarrier() { 
 generation.broken = true;//栅栏被打破 
 count = parties;//重置count 
 trip.signalAll();//唤醒之前阻塞的线程 
}

nextGeneration()方法

private void nextGeneration() { 
 //唤醒所以的线程 
 trip.signalAll(); 
 //重置计数器 
 count = parties; 
 //重新开始 
 generation = new Generation(); 
}

reset()方法

接下来看看栅栏重置的方法

// 重置barrier到初始状态，所有还在等待中的线程最终会抛出BrokenBarrierException。 
public void reset() { 
 final ReentrantLock lock = this.lock; 
    lock.lock(); 
    try { 
     breakBarrier();   // break the current generation 
        nextGeneration(); // start a new generation 
    } finally { 
     lock.unlock(); 
    } 
}

其它方法

CyclicBarrier 其它还提供了例如getParties，isBroken，getNumberWaiting等方法，都比较简单，其中除了getParties由于parties被final修饰不可变，其余方法都会先去获得互斥锁。

 
public boolean isBroken() { 
    final ReentrantLock lock = this.lock; 
    lock.lock(); 
    try { 
        return generation.broken; 
    } finally { 
        lock.unlock(); 
    } 
} 
 
 
public int getNumberWaiting() { 
    final ReentrantLock lock = this.lock; 
    lock.lock(); 
    try { 
        return parties - count; 
    } finally { 
        lock.unlock(); 
    } 
}