【JUC】循环屏障CyclicBarrier详解

àì夳堔傛蜴生んèń 2023-09-23 17:19 149阅读 0赞

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### 前言 ###

jdk中提供了许多的并发工具类，大家可能比较熟悉的有`CountDownLatch`，主要用来阻塞一个线程运行，直到其他线程运行完毕。而jdk还有一个功能类似并发工具类`CyclicBarrier`，你知道它的作用吗？和`CountDownLatch`有什么区别呢？

> 对于CountDownLatch不了解的可以参考[\# CountDownLatch源码硬核解析][CountDownLatch]

### 介绍和使用 ###

`CyclicBarrier`，循环屏障，用来进行线程协作，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，会触发自己运行，运行完后，屏障又会开门，所有被屏障拦截的线程又可以继续运行。所以`CyclicBarrier` 是可以重用的。

为了更好的理解，我们举个例子，如下图所示：

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我们将屏障想成栅栏，5个线程想成5头猪。5头猪开始往前跑，直到都跑到栅栏前，栅栏开始做个自己的任务，比如看看猪多重。然后打开栅栏，猪又会继续跑，跑到下一个栅栏，就这样循环....

#### API介绍 ####

**构造方法**

*  `public CyclicBarrier(int parties)`: 创建`parties`个线程任务的循环`CyclicBarrier`
 *  `public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)`： 当`parties`个线程到到屏障出，自己执行任务`barrierAction`

**常用API**

*  `int await()`：线程调用 `await` 方法通知 `CyclicBarrier` 本线程已经到达屏障

#### 基本使用 ####

我们将上面猪猪的例子通过`CyclicBarrier`简单做一个实现。

@Slf4j(topic = "c.CyclicBarrierPig")
    public class CyclicBarrierPig {
    
        public static void main(String[] args) {
            ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
            CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
                System.out.println("主人看看哪个猪跑最快，最肥...");
            });
    
            // 循环跑3次
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                // 5条猪开始跑
                for(int j = 0; j<5; j++) {
                    int finalJ = j;
                    service.submit(() -> {
                       log.info("pig{} is run .....", finalJ);
                        try {
                            // 随机时间，模拟跑花费的时间
                            Thread.sleep(new Random().nextInt(5000));
                            log.info("pig{} reach barrier .....", finalJ);
                            barrier.await();
                        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    });
                }
            }
            service.shutdown();
        }
    }
    复制代码

**运行结果：**

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### 实现原理 ###

我们已经明白`CyclicBarrier`的基本使用了，那我们看看它是如何实现的。

#### 成员属性 ####

*  全局锁：利用可重入锁实现的工具类

// barrier 实现是依赖于Condition条件队列，condition 条件队列必须依赖lock才能使用
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 线程挂起实现使用的 condition 队列，当前代所有线程到位，这个条件队列内的线程才会被唤醒
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    复制代码

*  线程数量

// 代表多少个线程到达屏障开始触发线程任务
    private final int parties;	
    // 表示当前“代”还有多少个线程未到位，初始值为 parties
    private int count;			
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*  当前代中最后一个线程到位后要执行的任务

private final Runnable barrierCommand;
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*  代, 也是用标记一次循环

// 表示 barrier 对象当前 代
    private Generation generation = new Generation();
    private static class Generation {
        // 表示当前“代”是否被打破，如果被打破再来到这一代的线程 就会直接抛出 BrokenException 异常
        // 且在这一代挂起的线程都会被唤醒，然后抛出 BrokerException 异常。
        boolean broken = false;
    }
    复制代码

#### 构造方法 ####

public CyclicBarrie(int parties, Runnable barrierAction) {
        // 因为小于等于 0 的 barrier 没有任何意义
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        // 可以为 null
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }
    复制代码

#### 成员方法 ####

*  `await()`：阻塞等待所有线程到位

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
        try {
            return dowait(false, 0L);
        } catch (TimeoutException toe) {
            throw new Error(toe); // cannot happen
        }
    }
    
    // timed：表示当前调用await方法的线程是否指定了超时时长，如果 true 表示线程是响应超时的
    // nanos：线程等待超时时长，单位是纳秒
    private int dowait(boolean timed, long nanos) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 加锁
        lock.lock();
        try {
            // 获取当前代
            final Generation g = generation;
    
            // 【如果当前代是已经被打破状态，则当前调用await方法的线程，直接抛出Broken异常】
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();
    		// 如果当前线程被中断了，则打破当前代，然后当前线程抛出中断异常
            if (Thread.interrupted()) {
                // 设置当前代的状态为 broken 状态，唤醒在 trip 条件队列内的线程
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }
    
            // 逻辑到这说明，当前线程中断状态是 false， 当前代的 broken 为 false（未打破状态）
            
            // 假设 parties 给的是 5，那么index对应的值为 4,3,2,1,0
            int index = --count;
            // 条件成立说明当前线程是最后一个到达 barrier 的线程，【需要开启新代，唤醒阻塞线程】
            if (index == 0) {
                // 栅栏任务启动标记
                boolean ranAction = false;
                try {
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    if (command != null)
                        // 启动触发的任务
                        command.run();
                    // run()未抛出异常的话，启动标记设置为 true
                    ranAction = true;
                    // 开启新的一代，这里会【唤醒所有的阻塞队列】
                    nextGeneration();
                    // 返回 0 因为当前线程是此代最后一个到达的线程，index == 0
                    return 0;
                } finally {
                    // 如果 command.run() 执行抛出异常的话，会进入到这里
                    if (!ranAction)
                        breakBarrier();
                }
            }
    
            // 自旋，一直到条件满足、当前代被打破、线程被中断，等待超时
            for (;;) {
                try {
                    // 根据是否需要超时等待选择阻塞方法
                    if (!timed)
                        // 当前线程释放掉 lock，【进入到 trip 条件队列的尾部挂起自己】，等待被唤醒
                        trip.await();
                    else if (nanos > 0L)
                        nanos = trip.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException ie) {
                    // 被中断后来到这里的逻辑
                    
                    // 当前代没有变化并且没有被打破
                    if (g == generation && !g.broken) {
                        // 打破屏障
                        breakBarrier();
                        // node 节点在【条件队列】内收到中断信号时 会抛出中断异常
                        throw ie;
                    } else {
                        // 等待过程中代变化了，完成一次自我打断
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }
    			// 唤醒后的线程，【判断当前代已经被打破，线程唤醒后依次抛出 BrokenBarrier 异常】
                if (g.broken)
                    throw new BrokenBarrierException();
    
                // 当前线程挂起期间，最后一个线程到位了，然后触发了开启新的一代的逻辑
                if (g != generation)
                    return index;
    			// 当前线程 trip 中等待超时，然后主动转移到阻塞队列
                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    // 抛出超时异常
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            // 解锁
            lock.unlock();
        }
    }
    复制代码

*  `breakBarrier()`：打破 Barrier 屏障

private void breakBarrier() {
        // 将代中的 broken 设置为 true，表示这一代是被打破了，再来到这一代的线程，直接抛出异常
        generation.broken = true;
        // 重置 count 为 parties
        count = parties;
        // 将在trip条件队列内挂起的线程全部唤醒，唤醒后的线程会检查当前是否是打破的，然后抛出异常
        trip.signalAll();
    }
    复制代码

*  nextGeneration()：开启新的下一代

private void nextGeneration() {
        // 将在 trip 条件队列内挂起的线程全部唤醒
        trip.signalAll();
        // 重置 count 为 parties
        count = parties;
    
        // 开启新的一代，使用一个新的generation对象，表示新的一代，新的一代和上一代【没有任何关系】
        generation = new Generation();
    }
    复制代码

### 和CountDownLatch的区别 ###

#### 相同点 ####

二者都能让一个或多个线程阻塞等待，都可以用在多个线程间的协调，起到线程同步的作用。

#### 不同点 ####

1.  `CountDownLatch` 的计数器只能使用一次，而 `CyclicBarrier` 的计数器可以反复 使用。
2.  `CountDownLatch.await`一般阻塞工作线程，所有的进行预备工作的线程执行 `countDown`，而 `CyclicBarrier` 通过工作线程调用 `await` 从而自行阻塞，直到所有工作线程达到指定屏障，所有的线程才会返回各自执行自己的工作。
3.  `CyclicBarrier` 还可以提供一个 `barrierAction`，合并多线程计算结果。
4.  `CountDownLatch` 会阻塞主线程，`CyclicBarrier` 不会阻塞主线程，只会阻塞子线程。

### 总结 ###

本文讲解了`CyclicBarrier` 的基本功能和使用，同时讲解了它大致的实现。关于`CyclicBarrier` 具体有什么使用场景，你可能还是比较迷惑，我再举个例子，比如`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。

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