Java并发编程系列之CyclicBarrier详解

简介

jdk原文

A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point. 
CyclicBarriers are useful in programs involving a fixed sized party of threads that must occasionally wait for each other. 
The barrier is called cyclic because it can be re-used after the waiting threads are released.

这句话翻译意思：CyclicBarrier是一个同步辅助类，它允许一组线程相互等待直到所有线程都到达一个公共的屏障点。
在程序中有固定数量的线程，这些线程有时候必须等待彼此，这种情况下，使用CyclicBarrier很有帮助。
这个屏障之所以用循环修饰，是因为在所有的线程释放彼此之后，这个屏障是可以重新使用的

抓住重点：1、允许一组线程相互等待直到达到一个公共屏障点，2、可以重复使用

简单举例就是：玩王者荣耀只有所有人进入游戏之前都必须加载到100%，所有人才能进入游戏。
与CountDownLatch比较


image.png

源码解析

先从构造方法入手

  /**
     * Creates a new {@code CyclicBarrier} that will trip when the
     * given number of parties (threads) are waiting upon it, and
     * does not perform a predefined action when the barrier is tripped.
     *
     * @param parties the number of threads that must invoke {@link #await}
     *        before the barrier is tripped
     * @throws IllegalArgumentException if {@code parties} is less than 1
     */
 public CyclicBarrier(int parties) {
        this(parties, null);
    }
   /**
     * Creates a new {@code CyclicBarrier} that will trip when the
     * given number of parties (threads) are waiting upon it, and which
     * will execute the given barrier action when the barrier is tripped,
     * performed by the last thread entering the barrier.
     *
     * @param parties the number of threads that must invoke {@link #await}
     *        before the barrier is tripped
     * @param barrierAction the command to execute when the barrier is
     *        tripped, or {@code null} if there is no action
     * @throws IllegalArgumentException if {@code parties} is less than 1
     */
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }

从jdk注释我们可以看出：
第一个构造器：创建一个新的{@code CyclicBarrier}，它会在
给定数量的屏障（线程）正在等待它，并且在屏障被触发时不执行预定义的操作。
第二个构造器：创建一个新的{@code CyclicBarrier}，它会在
给定数量的屏障（线程）正在等待它，以及当屏障被触发时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。

await()方法
调用await方法的线程告诉CyclicBarrier自己已经到达同步点，然后当前线程被阻塞。直到parties个参与线程调用了await方法，CyclicBarrier同样提供带超时时间的await和不带超时时间的await方法：
await()方法里面最主要就是doawait()

private int dowait(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
            TimeoutException {
    // 获取独占锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 当前先从
        final Generation g = generation;
        // 如果这个线程损坏了，抛出异常
        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();
 
        // 如果线程中断了，抛出异常
        if (Thread.interrupted()) {
            // 将损坏状态设置为true
            // 并通知其他阻塞在此屏障上的线程
            breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }
 
        // 获取下标
        int index = --count;
        // 如果是 0，说明最后一个线程调用了该方法
        if (index == 0) {  // tripped
            boolean ranAction = false;
            try {
                final Runnable command = barrierCommand;
                // 执行屏障任务
                if (command != null)
                    command.run();
                ranAction = true;
                // 更新一代，将count重置，将generation重置
                // 唤醒之前等待的线程
                nextGeneration();
                return 0;
            } finally {
                // 如果执行屏障任务的时候失败了，就将损坏状态设置为true
                if (!ranAction)
                    breakBarrier();
            }
        }
 
        // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
        for (;;) {
            try {
                 // 如果没有时间限制，则直接等待，直到被唤醒
                if (!timed)
                    trip.await();
                // 如果有时间限制，则等待指定时间
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                // 当前线程没有损坏
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    // 让屏障失效
                    breakBarrier();
                    throw ie;
                } else {
                    // 上面条件不满足，说明这个线程不是这代的
                    // 就不会影响当前这代屏障的执行，所以，就打个中断标记
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
 
            // 当有任何一个线程中断了，就会调用breakBarrier方法
            // 就会唤醒其他的线程，其他线程醒来后，也要抛出异常
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();
 
            // g != generation表示正常换代了，返回当前线程所在屏障的下标
            // 如果 g == generation，说明还没有换代，那为什么会醒了？
            // 因为一个线程可以使用多个屏障，当别的屏障唤醒了这个线程，就会走到这里，所以需要判断是否是当前代。
            // 正是因为这个原因，才需要generation来保证正确。
            if (g != generation)
                return index;
            
            // 如果有时间限制，且时间小于等于0，销毁屏障并抛出异常
            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        // 释放独占锁
        lock.unlock();
    }
   }

总结如果该线程不是最后一个调用await方法的线程，则它会一直处于等待状态，除非发生以下情况：
最后一个线程到达，即index == 0
某个参与线程等待超时
某个参与线程被中断
调用了CyclicBarrier的reset()方法。该方法会将屏障重置为初始状态

Generation描述着CyclicBarrier的更新换代。在CyclicBarrier中，同一批线程属于同一代。当有parties个线程到达barrier之后，generation就会被更新换代。其中broken标识该当前CyclicBarrier是否已经处于中断状态。

默认barrier(屏障)是没有损坏的。当barrier(屏障)损坏了或者有一个线程中断了，则通过breakBarrier()来终止所有的线程：

private void breakBarrier() {
        generation.broken = true;
        count = parties;
        trip.signalAll();
    }

breakBarrier()不仅会把broken设置为true，还会将所有处于等待状态的线程全部唤醒(singalAll)方法

注意CyclicBarrier使用独占锁来执行await方法，并发性可能不是很高

简单例子加深印象

/**
 * @author shuliangzhao
 * @Title: CyclicBarrierTest
 * @ProjectName design-parent
 * @Description: TODO
 * @date 2019/6/3 0:23
 */
public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);

        for(int i=0;i<N;i++) {
            new Writer(barrier).start();
        }

       
       /* try {
            Thread.sleep(25000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("CyclicBarrier重用");

        for(int i=0;i<N;i++) {
            new Writer(barrier).start();
        }*/
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(2000);      //以睡眠来模拟写入数据操作
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕，等待其他线程写入完毕");

                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
        }
    }
}

运行结果


image.png

怎么用多线程求和


/**
 * @author shuliangzhao
 * @Title: CyclicBarrier
 * @ProjectName design-parent
 * @Description: TODO
 * @date 2019/6/3 0:18
 */
public class CyclicBarrierExc {

    //private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(CyclicBarrierExc.class);

    public static void main(String[] args) {
        //数组大小
        int size = 50000;
        //定义数组
        int[] numbers = new int[size];

        //随机初始化数组
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            numbers[i] = RandomUtils.nextInt(100, 1000);
        }

        //多线程计算结果
        //定义线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
        //定义五个Future去保存子数组计算结果
        final int[] results = new int[5];

        //定义一个循环屏障，在屏障线程中进行计算结果合并
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
            int sums = 0;
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                sums += results[i];
            }
            System.out.println("多线程计算结果：" + sums);
        });

        //子数组长度
        int length = 10000;
        //定义五个线程去计算
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            //定义子数组
            int[] subNumbers = Arrays.copyOfRange(numbers, (i * length), ((i + 1) * length));
            //盛放计算结果
            int finalI = i;
            executorService.submit(() -> {
                for (int j = 0; j < subNumbers.length; j++) {
                    results[finalI] += subNumbers[j];
                }
                //等待其他线程进行计算
                try {
                    barrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }

        //关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}
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