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一句话描述 ​

下面内容转载自:https://javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer-3 。还有一部分是从其他地方整理过来的

CyclicBarrier ​

字面意思是“可重复使用的栅栏”或“周期性的栅栏”,总之不是用了一次就没用了的。CyclicBarrier 相比 CountDownLatch 来说,要简单很多。其源码没有什么高深的地方,它是 ReentrantLock 和 Condition 的组合使用。看如下示意图,CyclicBarrier 和 CountDownLatch 是不是很像,只是 CyclicBarrier 可以有不止一个栅栏,因为它的栅栏(Barrier)可以重复使用(Cyclic)。

image

首先,CyclicBarrier 的源码实现和 CountDownLatch 大相径庭,CountDownLatch 基于 AQS 的共享模式的使用,而 CyclicBarrier 基于 Condition 来实现。

因为 CyclicBarrier 的源码相对来说简单许多。读者只要熟悉了前面关于 Condition 的分析,那么这里的源码是毫无压力的,就是几个特殊概念罢了。

先用一张图来描绘下 CyclicBarrier 里面的一些概念,和它的基本使用流程:

image

看图我们也知道了,CyclicBarrier 的源码最重要的就是 await() 方法了。

大家先把图看完,然后我们开始源码分析:

java
public class CyclicBarrier {
    // 我们说了,CyclicBarrier 是可以重复使用的,我们把每次从开始使用到穿过栅栏当做"一代",或者"一个周期"
    private static class Generation {
        boolean broken = false;
    }

    /** The lock for guarding barrier entry */
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // CyclicBarrier 是基于 Condition 的
    // Condition 是“条件”的意思,CyclicBarrier 的等待线程通过 barrier 的“条件”是大家都到了栅栏上
    private final Condition trip = lock.newCondition();

    // 参与的线程数
    private final int parties;

    // 如果设置了这个,代表越过栅栏之前,要执行相应的操作
    private final Runnable barrierCommand;

    // 当前所处的“代”
    private Generation generation = new Generation();

    // 还没有到栅栏的线程数,这个值初始为 parties,然后递减
    // 还没有到栅栏的线程数 = parties - 已经到栅栏的数量
    private int count;

    public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }

    public CyclicBarrier(int parties) {
        this(parties, null);
    }

首先,先看怎么开始新的一代:

java
// 开启新的一代,当最后一个线程到达栅栏上的时候,调用这个方法来唤醒其他线程,同时初始化“下一代”
private void nextGeneration() {
    // 首先,需要唤醒所有的在栅栏上等待的线程
    trip.signalAll();
    // 更新 count 的值
    count = parties;
    // 重新生成“新一代”
    generation = new Generation();
}

开始新的一代,类似于重新实例化一个 CyclicBarrier 实例

看看怎么打破一个栅栏:

java
private void breakBarrier() {
    // 设置状态 broken 为 true
    generation.broken = true;
    // 重置 count 为初始值 parties
    count = parties;
    // 唤醒所有已经在等待的线程
    trip.signalAll();
}

这两个方法之后用得到,现在开始分析最重要的等待通过栅栏方法 await 方法:

java
// 不带超时机制
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        return dowait(false, 0L);
    } catch (TimeoutException toe) {
        throw new Error(toe); // cannot happen
    }
}
// 带超时机制,如果超时抛出 TimeoutException 异常
public int await(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException,
           BrokenBarrierException,
           TimeoutException {
    return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}

继续往里看:

java
private int dowait(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
               TimeoutException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 先要获取到锁,然后在 finally 中要记得释放锁
    // 如果记得 Condition 部分的话,我们知道 condition 的 await() 会释放锁,被 signal() 唤醒的时候需要重新获取锁
    lock.lock();
    try {
        final Generation g = generation;
        // 检查栅栏是否被打破,如果被打破,抛出 BrokenBarrierException 异常
        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();
        // 检查中断状态,如果中断了,抛出 InterruptedException 异常
        if (Thread.interrupted()) {
            breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }
        // index 是这个 await 方法的返回值
        // 注意到这里,这个是从 count 递减后得到的值
        int index = --count;

        // 如果等于 0,说明所有的线程都到栅栏上了,准备通过
        if (index == 0) {  // tripped
            boolean ranAction = false;
            try {
                // 如果在初始化的时候,指定了通过栅栏前需要执行的操作,在这里会得到执行
                final Runnable command = barrierCommand;
                if (command != null)
                    command.run();
                // 如果 ranAction 为 true,说明执行 command.run() 的时候,没有发生异常退出的情况
                ranAction = true;
                // 唤醒等待的线程,然后开启新的一代
                nextGeneration();
                return 0;
            } finally {
                if (!ranAction)
                    // 进到这里,说明执行指定操作的时候,发生了异常,那么需要打破栅栏
                    // 之前我们说了,打破栅栏意味着唤醒所有等待的线程,设置 broken 为 true,重置 count 为 parties
                    breakBarrier();
            }
        }

        // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
        // 如果是最后一个线程调用 await,那么上面就返回了
        // 下面的操作是给那些不是最后一个到达栅栏的线程执行的
        for (;;) {
            try {
                // 如果带有超时机制,调用带超时的 Condition 的 await 方法等待,直到最后一个线程调用 await
                if (!timed)
                    trip.await();
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                // 如果到这里,说明等待的线程在 await(是 Condition 的 await)的时候被中断
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    // 打破栅栏
                    breakBarrier();
                    // 打破栅栏后,重新抛出这个 InterruptedException 异常给外层调用的方法
                    throw ie;
                } else {
                    // 到这里,说明 g != generation, 说明新的一代已经产生,即最后一个线程 await 执行完成,
                    // 那么此时没有必要再抛出 InterruptedException 异常,记录下来这个中断信息即可
                    // 或者是栅栏已经被打破了,那么也不应该抛出 InterruptedException 异常,
                    // 而是之后抛出 BrokenBarrierException 异常
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }

              // 唤醒后,检查栅栏是否是“破的”
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();

            // 这个 for 循环除了异常,就是要从这里退出了
            // 我们要清楚,最后一个线程在执行完指定任务(如果有的话),会调用 nextGeneration 来开启一个新的代
            // 然后释放掉锁,其他线程从 Condition 的 await 方法中得到锁并返回,然后到这里的时候,其实就会满足 g != generation 的
            // 那什么时候不满足呢?barrierCommand 执行过程中抛出了异常,那么会执行打破栅栏操作,
            // 设置 broken 为true,然后唤醒这些线程。这些线程会从上面的 if (g.broken) 这个分支抛 BrokenBarrierException 异常返回
            // 当然,还有最后一种可能,那就是 await 超时,此种情况不会从上面的 if 分支异常返回,也不会从这里返回,会执行后面的代码
            if (g != generation)
                return index;

            // 如果醒来发现超时了,打破栅栏,抛出异常
            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

好了,我想我应该讲清楚了吧,我好像几乎没有漏掉任何一行代码吧?

下面开始收尾工作。

首先,我们看看怎么得到有多少个线程到了栅栏上,处于等待状态:

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

判断一个栅栏是否被打破了,这个很简单,直接看 broken 的值即可:

java
public boolean isBroken() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        return generation.broken;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

前面我们在说 await 的时候也几乎说清楚了,什么时候栅栏会被打破,总结如下:

  • 中断,我们说了,如果某个等待的线程发生了中断,那么会打破栅栏,同时抛出 InterruptedException 异常;
  • 超时,打破栅栏,同时抛出 TimeoutException 异常;
  • 指定执行的操作抛出了异常,这个我们前面也说过。

最后,我们来看看怎么重置一个栅栏:

java
public void reset() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        breakBarrier();   // break the current generation
        nextGeneration(); // start a new generation
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

我们设想:如果初始化时指定线程 parties = 4,前面有 3 个线程调用了 await 等待。在第 4 个线程调用 await 之前,我们调用 reset 方法。此时发生的两步如下:

首先,打破栅栏,那意味着所有等待的线程(3个等待的线程)会唤醒,await 方法会通过抛出 BrokenBarrierException 异常返回。然后开始新的一代,重置了 count 和 generation,相当于一切归零了。

怎么样,CyclicBarrier 源码很简单吧。


CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似,它也可以实现线程间的技术等待,但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。

CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用(Cyclic)的屏障(Barrier)。它要做的事情是,让一组线程到达一个屏障(也可以叫同步点)时被阻塞。直到最后一个线程到达屏障时,屏障才会开门,所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier 默认的构造方法是CyclicBarrier(int parties),其参数表示屏障拦截的线程数量。每个线程调用await方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障,然后当前线程被阻塞。

再来看它的构造函数:

java
public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

其中,parties 就代表了有拦截的线程的数量。当拦截的线程数量达到这个值的时候就打开栅栏,让所有线程通过。

CyclicBarrier 的应用场景 ​

CyclicBarrier 可以用于多线程计算数据,最后合并计算结果的应用场景。比如我们用一个 Excel 保存了用户所有银行流水,每个 Sheet 保存一个帐户近一年的每笔银行流水。现在需要统计用户的日均银行流水。先用多线程处理每个 sheet 里的银行流水,都执行完之后,得到每个 sheet 的日均银行流水。最后,再用 barrierAction 用这些线程的计算结果,计算出整个 Excel 的日均银行流水。

CyclicBarrier 的使用示例 ​

java
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

public class CyclicBarrierExample2 {

	// 请求的数量
	private static final int threadCount = 550;
	// 需要同步的线程数量
	private static final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
		for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
			final int threadNum = i;
			Thread.sleep(1000);
			threadPool.execute(() -> {
				try {
					test(threadNum);
				} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			});
		}

		threadPool.shutdown();
	}

	public static void test(int threadNum) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
		System.out.println("threadNum: " + threadNum + " is ready");

		try {
			/** 等待60秒,保证子线程完全执行结束 */
			cyclicBarrier.await(60, TimeUnit.SECONDS);
		} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException | TimeoutException e) {
			System.out.println("-----CyclicBarrierException------");
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("threadNum: " + threadNum + " is finish");
	}

}

运行结果,如下:

java
threadnum:0is ready
threadnum:1is ready
threadnum:2is ready
threadnum:3is ready
threadnum:4is ready
threadnum:4is finish
threadnum:0is finish
threadnum:1is finish
threadnum:2is finish
threadnum:3is finish
threadnum:5is ready
threadnum:6is ready
threadnum:7is ready
threadnum:8is ready
threadnum:9is ready
threadnum:9is finish
threadnum:5is finish
threadnum:8is finish
threadnum:7is finish
threadnum:6is finish
......

可以看到当线程数量也就是请求数量达到我们定义的 5 个的时候, await方法之后的方法才被执行。

另外,CyclicBarrier 还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)。它用于在线程到达屏障时,优先执行barrierAction,方便处理更复杂的业务场景。示例代码如下:

java
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CyclicBarrierExample3 {

	// 请求的数量
	private static final int threadCount = 550;
	// 需要同步的线程数量
	private static final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
		System.out.println("----当线程数到达之后,优先执行----");
	});

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
		for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
			final int threadNum = i;
			Thread.sleep(1000);
			threadPool.execute(() ->{
				try {
					test(threadNum);
				} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			});
		}
		
		threadPool.shutdown();
	}

	public static void test(int threadNum) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
		System.out.println("threadNum: " + threadNum + " is ready");
		cyclicBarrier.await();
		System.out.println("threadNum: " + threadNum + " is finish");
	}

}

运行结果如下:

java
threadnum:0is ready
threadnum:1is ready
threadnum:2is ready
threadnum:3is ready
threadnum:4is ready
------当线程数达到之后,优先执行------
threadnum:4is finish
threadnum:0is finish
threadnum:2is finish
threadnum:1is finish
threadnum:3is finish
threadnum:5is ready
threadnum:6is ready
threadnum:7is ready
threadnum:8is ready
threadnum:9is ready
------当线程数达到之后,优先执行------
threadnum:9is finish
threadnum:5is finish
threadnum:6is finish
threadnum:8is finish
threadnum:7is finish
......

CyclicBarrier记录 ​

当调用 CyclicBarrier 对象调用 await() 方法时,调用的是dowait(false, 0L)方法。 await() 方法就像树立起一个栅栏的行为一样,将线程挡住了。当拦住的线程数量达到 parties 的值时,栅栏才会打开,线程才得以通过执行。

java
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        return dowait(false, 0L);
    } catch (TimeoutException toe) {
        throw new Error(toe); // cannot happen
    }
}

dowait(false, 0L):

java
/**
 * Main barrier code, covering the various policies.
 */
private int dowait(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
           TimeoutException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        final Generation g = generation;

        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();

        if (Thread.interrupted()) {
            breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }

        int index = --count;
        if (index == 0) {  // tripped
            boolean ranAction = false;
            try {
                final Runnable command = barrierCommand;
                if (command != null)
                    command.run();
                ranAction = true;
                nextGeneration();
                return 0;
            } finally {
                if (!ranAction)
                    breakBarrier();
            }
        }

        // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
        for (;;) {
            try {
                if (!timed)
                    trip.await();
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    breakBarrier();
                    throw ie;
                } else {
                    // We're about to finish waiting even if we had not
                    // been interrupted, so this interrupt is deemed to
                    // "belong" to subsequent execution.
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }

            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();

            if (g != generation)
                return index;

            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

总结:CyclicBarrier 内部通过一个 count 变量作为计数器。count 的初始值为 parties 属性的初始化值。每当一个线程到了栅栏这里了,那么就将计数器减一。如果 count 值为 0 了,表示这是这一代最后一个线程到达栅栏,就尝试执行我们构造方法中输入的任务。