Java多线程9 同步工具类CyclicBarrier
2018-11-30 本文已影响14人
香沙小熊
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CyclicBarrier是一个同步工具类，它允许一组线程互相等待，直到达到某个公共屏障点。与CountDownLatch不同的是该barrier在释放线程等待后可以重用，所以它称为循环（Cyclic）的屏障（Barrier）。
CyclicBarrier支持一个可选的Runnable命令，在一组线程中的最后一个线程到达之后（但在释放所有线程之前），该命令只在每个屏障点运行一次。若再继续所有的参与线程之前更新共享状态，此屏蔽操作很有用。
1 CyclicBarrier方法说明
CyclicBarrier提供的方法有：
CyclicBarrier(parties):初始化相互等待的线程数量的构造方法。
CyclicBarrier(parties,Runnable barrierAction):初始化相互等待的线程数量以及屏障线程的构造方法。
屏障线程的运行时机：
等待的线程数量=parties之后，CyclicBarrier打开屏障之前。
举例：在分组计算中，每个线程负责一部分计算，最终这些线程计算结束之后，交由屏障线程进行汇总计算。
int getParties():获取CyclicBarrier打开屏障的线程数量，也成为方数。
int getNumberWaiting():获取正在CyclicBarrier上等待的线程数量。
int await():在CyclicBarrier上进行阻塞等待，直到发生以下情形之一：
- 在CyclicBarrier上等待的线程数量达到parties，则所有线程被释放，继续执行。
- 当前线程被中断，则抛出InterruptedException异常，并停止等待，继续执行。
- 其他等待的线程被中断，则当前线程抛出BrokenBarrierException异常，并停止等待，继续执行。
- 其他等待的线程超时，则当前线程抛出BrokenBarrierException异常，并停止等待，继续执行。
- 其他线程调用CyclicBarrier.reset()方法，则当前线程抛出BrokenBarrierException异常，并停止等待，继续执行。
int await(timeout,TimeUnit):在CyclicBarrier上进行限时的阻塞等待，直到发生以下情形之一：
- 在CyclicBarrier上等待的线程数量达到parties，则所有线程被释放，继续执行。
- 当前线程被中断，则抛出InterruptedException异常，并停止等待，继续执行。
- 当前线程等待超时，则抛出TimeoutException异常，并停止等待，继续执行。
- 其他等待的线程被中断，则当前线程抛出BrokenBarrierException异常，并停止等待，继续执行。
- 其他等待的线程超时，则当前线程抛出BrokenBarrierException异常，并停止等待，继续执行。
- 其他线程调用CyclicBarrier.reset()方法，则当前线程抛出BrokenBarrierException异常，并停止等待，继续执行。
boolean isBroken():获取是否破损标志位broken的值，此值有以下几种情况：
- CyclicBarrier初始化时，broken=false，表示屏障未破损。
- 如果正在等待的线程被中断，则broken=true，表示屏障破损。
- 如果正在等待的线程超时，则broken=true，表示屏障破损。
- 如果有线程调用CyclicBarrier.reset()方法，则broken=false，表示屏障回到未破损状态。
void reset():使得CyclicBarrier回归初始状态，直观来看它做了两件事：
- 如果有正在等待的线程，则会抛出BrokenBarrierException异常，且这些线程停止等待，继续执行。
- 将是否破损标志位broken置为false。
2 CyclicBarrier实例
假若有若干个线程都要进行写数据操作，并且只有所有线程都完成写数据操作之后，这些线程才能继续做后面的事情，此时就可以利用CyclicBarrier了：
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();
}
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(5000); //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("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
}
}
线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
从上面输出结果可以看出，每个写入线程执行完写数据操作之后，就在等待其他线程写入操作完毕。
当所有线程线程写入操作完毕之后，所有线程就继续进行后续的操作了。
如果想在所有线程写入操作完之后，进行额外的其他操作可以为CyclicBarrier提供Runnable参数：
public class CyclicBarrierTest {
public static void main(String[] args) {
int N = 4;
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N,new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName());
}
});
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(3000); //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("所有线程写入完毕，继续处理其他任务...");
}
}
}
线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
当前线程Thread-2
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
从结果可以看出，当四个线程都到达barrier状态后，会从四个线程中选择一个线程去执行Runnable。
await指定时间的效果：
public class CyclicBarrierTest {
public static void main(String[] args) {
int N = 4;
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N);
for (int i = 0; i < N; i++) {
if (i < N - 1)
new Writer(barrier).start();
else {
try {
//运行时间远小于2000(cyclicBarrier.await 指定时间) 就不会抛出TimeoutException
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
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(3000); //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");
try {
cyclicBarrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
} catch (TimeoutException e) {
e.printStackTrace();
}
} 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...");
}
}
}
线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-3正在写入数据...
java.util.concurrent.TimeoutException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:257)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-0所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-1所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-2所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:207)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-3所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
上面的代码在main方法的for循环中，故意让最后一个线程启动延迟，因为在前面三个线程都达到barrier之后，等待了指定的时间发现第四个线程还没有达到barrier，就抛出异常并继续执行后面的任务。
另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面这个例子：
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(5000);
} 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(3000); //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...");
}
}
}
线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-1写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-0写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-3写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-2写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
Thread-2所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
Thread-1所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
Thread-3所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
Thread-0所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
CyclicBarrier重用
线程Thread-4正在写入数据...
线程Thread-5正在写入数据...
线程Thread-6正在写入数据...
线程Thread-7正在写入数据...
线程Thread-5写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-4写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-7写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
线程Thread-6写入数据完毕，等待其他线程写入完毕
Thread-6所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
Thread-5所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
Thread-4所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
Thread-7所有线程写入完毕，继续处理其他任务...
从执行结果可以看出，在初次的4个线程越过barrier状态后，又可以用来进行新一轮的使用。而CountDownLatch无法进行重复使用。
3 CyclicBarrier源码解析
先看一下CyclicBarrier中成员变量的组成：
/** The lock for guarding barrier entry */
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** Condition to wait on until tripped */
private final Condition trip = lock.newCondition();
/** The number of parties */
private final int parties;//拦截的线程数量
/* The command to run when tripped */
private final Runnable barrierCommand; //当屏障撤销时，需要执行的屏障操作
//当前的Generation。每当屏障失效或者开闸之后都会自动替换掉。从而实现重置的功能。
private Generation generation = new Generation();
/**
* Number of parties still waiting. Counts down from parties to 0
* on each generation. It is reset to parties on each new
* generation or when broken.
*/
private int count;
可以看出，CyclicBarrier是由ReentrantLock和Condition来实现的。具体每个变量都有什么意义，我们在分析源码的时候具体说。
我们主要从CyclicBarrier的构造方法和它的await方法分析说起。
CyclicBarrier构造函数
CyclicBarrier有两个构造函数：
//带Runnable参数的函数
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.parties = parties;//有几个运动员要参赛
this.count = parties;//目前还需要几个运动员准备好
//你要在所有线程都继续执行下去之前要执行什么操作，可以为空
this.barrierCommand = barrierAction;
}
//不带Runnable参数的函数
public CyclicBarrier(int parties) {
this(parties, null);
}
其中，第二个构造函数调用的是第一个构造函数，这个 Runnable barrierAction 参数是什么呢？其实在上面的小示例中我们就用到了这个Runnable参数，它就是在所有线程都准备好之后，满足Barrier条件时，并且在所有线程继续执行之前，我们可以执行这个Runnable。但是值得注意的是，这不是新起了一个线程，而是通过最后一个准备好的（也就是最后一个到达Barrier的）线程承担启动的。这一点我们在上面示例中打印的运行结果中也可以看出来：Thread-2线程是最后一个准备好的，就是它执行的这个barrierAction。
这里parties和count不要混淆，parties是表示必须有几个线程要到达Barrier，而count是表示目前还有几个线程未到达Barrier。也就是说，只有当count参数为0时，Barrier条件即满足，所有线程可以继续执行。
count变量是怎么减少到0的呢？是通过Barrier执行的await方法。下面我们就看一下await方法。
await方法
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}
await方法调用的dowait方法：
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();//获取ReentrantLock互斥锁
try {
final Generation g = generation;//获取generation对象
if (g.broken)//如果generation损坏，抛出异常
throw new BrokenBarrierException();
if (Thread.interrupted()) {
//如果当前线程被中断，则调用breakBarrier方法，停止CyclicBarrier，并唤醒所有线程
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
int index = --count;// 看到这里了吧，count减1
//index=0，也就是说，有0个线程未满足CyclicBarrier条件，也就是条件满足，
//可以唤醒所有的线程了
if (index == 0) { // tripped
boolean ranAction = false;
try {
//这就是构造器的第二个参数，如果不为空的话，就执行这个Runnable的run方法，
//你看，这里是执行的是run方法，也就是说，并没有新起一个另外的线程，
//而是最后一个执行await操作的线程执行的这个run方法。
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null)
command.run(); //同步执行barrierCommand
ranAction = true;
nextGeneration(); //执行成功设置下一个nextGeneration
return 0;
} finally {
if (!ranAction) . //如果barrierCommand执行失败，进行屏障破坏处理
breakBarrier();
}
}
//如果当前线程不是最后一个到达的线程
// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
for (;;) {
try {
if (!timed)
trip.await(); //调用Condition的await()方法阻塞
else if (nanos > 0L)
nanos = trip.awaitNanos(nanos); //调用Condition的awaitNanos()方法阻塞
} catch (InterruptedException ie) {
//如果当前线程被中断，则判断是否有其他线程已经使屏障破坏。若没有则进行屏障破坏处理，并抛出异常；否则再次中断当前线程
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier();//执行breakBarrier，唤醒所有线程
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)//如果当前generation已经损坏，抛出异常
throw new BrokenBarrierException();
if (g != generation)//如果generation已经更新换代，则返回index
return index;
//如果是参数是超时等待，并且已经超时，则执行breakBarrier()方法
//唤醒所有等待线程。
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
简单来说，如果不发生异常，线程不被中断，那么dowait方法会调用Condition的await方法（具体Condition的原理请看前面的文章），直到所有线程都准备好，即都执行了dowait方法，（做count的减操作，直到count=0），即CyclicBarrier条件已满足，就会执行唤醒线程操作，也就是上面的nextGeneration（）方法。可能大家会有疑惑，这个Generation是什么东西呢？其实这个Generation定义的很简单，就一个布尔值的成员变量：
private Generation generation = new Generation();
private static class Generation {
boolean broken = false;
}
Generation 可以理解成“代”，我们要知道，CyclicBarrier是可以重复使用的，CyclicBarrier中的同一批线程属于同一“代”，当所有线程都满足了CyclicBarrier条件，执行唤醒操作nextGeneration（）方法时，会新new 出一个Generation，代表一下“代”。
nextGeneration的源码
private void nextGeneration() {
// signal completion of last generation
trip.signalAll();//调用Condition的signalAll方法，唤醒所有await的线程
// set up next generation
count = parties;//重置count值
//生成新的Generation，表示上一代的所有线程已经唤醒，进行更新换代
generation = new Generation();
}
breakBarrier源码
再来看一下breakBarrier的代码，breakBarrier方法是在当前线程被中断时执行的，用来唤醒所有的等待线程：
private void breakBarrier() {
generation.broken = true;//表示当代因为线程被中断，已经发成损坏了
count = parties;//重置count值
trip.signalAll();//调用Condition的signalAll方法，唤醒所有await的线程
}
isBroken方法
public boolean isBroken() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return generation.broken;
} finally {
lock.unlock();
}
}
判断此屏障是否处于中断状态。如果因为构造或最后一次重置而导致中断或超时，从而使一个或多个参与者摆脱此屏障点，或者因为异常而导致某个屏障操作失败，则返回true；否则返回false。
reset方法
//将屏障重置为其初始状态。
public void reset() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
//唤醒所有等待的线程继续执行，并设置屏障中断状态为true
breakBarrier(); // break the current generation
//唤醒所有等待的线程继续执行，并设置屏障中断状态为false
nextGeneration(); // start a new generation
} finally {
lock.unlock();
}
}
getNumberWaiting方法
//返回当前在屏障处等待的参与者数目，此方法主要用于调试和断言。
public int getNumberWaiting() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return parties - count;
} finally {
lock.unlock();
}
}
总结：
1.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。
2.这个等待的await方法，其实是使用ReentrantLock和Condition控制实现的。
3.CyclicBarrier可以重复使用。
特别感谢
CyclicBarrier的原理分析和使用
Java并发编程：CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore
