同步屏障CyclicBarrier的实现原理
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爱情小傻蛋
一、简介
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。
二、使用
2.1 代码实现
public class CyclicBarrierTest {
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(1);
}
}).start();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(2);
}
}
如果把new CyclicBarrier(2)修改成new CyclicBarrier(3)则主线程和子线程会永远等待，因为没有第三个线程执行await方法，即没有第三个线程到达屏障，所以之前到达屏障的两个线程都不会继续执行。
CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，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。代码如下：
public class CyclicBarrierTest2 {
static CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2, new A());
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(1);
}
}).start();
try {
c.await();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(2);
}
static class A implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println(3);
}
}
}
2.2 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。
2.3 CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
- CountDownLatch的计数器只能使用一次。而CyclicBarrier的计数器可以使用reset() 方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景，比如如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程们重新执行一次。
- CyclicBarrier还提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量。isBroken方法用来知道阻塞的线程是否被中断。
三、源码
3.1 数据结构
CyclicBarrier中声明了如下一些属性及变量：
//lock用于保护屏障入口的锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//trip线程等待条件
private final Condition trip = lock.newCondition();
//parties参与等待的线程数；
private final int parties;
//barrierCommand当所有线程到达屏障点之后，首先执行的命令
private final Runnable barrierCommand;
private Generation generation = new Generation();
//count实际中仍在等待的线程数，
//每当有一个线程到达屏障点，count值就会减一；
//当一次新的运算开始后，count的值被重置为parties。
private int count;
3.2 构造方法
//创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数，
//barrierAction指定当所有线程到达屏障点之后，首先执行的操作，该操作由最后一个进入屏障点的线程执行。
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.parties = parties;
this.count = parties;
this.barrierCommand = barrierAction;
}
//创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数
public CyclicBarrier(int parties) {
this(parties, null);
}
3.3 函数方法
- getParties方法
//返回参与相互等待的线程数
public int getParties() {
return parties;
}
- await方法
//该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态
//直到所有线程都到达屏障点，当前线程才会被唤醒
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen;
}
}
//该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态
//在timeout指定的超时时间内，等待其他参与线程到达屏障点
//如果超出指定的等待时间，则抛出TimeoutException异常，如果该时间小于等于零，则此方法根本不会等待
public int await(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException,
BrokenBarrierException,
TimeoutException {
return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}
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;
//当所有参与的线程都到达屏障点，立即去唤醒所有处于休眠状态的线程，恢复执行
nextGeneration();
return 0;
} finally {
if (!ranAction)
breakBarrier();
}
}
// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
for (;;) {
try {
if (!timed)
//让当前执行的线程阻塞，处于休眠状态
trip.await();
else if (nanos > 0L)
//让当前执行的线程阻塞，在超时时间内处于休眠状态
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();
}
}
//唤醒所有处于休眠状态的线程，恢复执行
//重置count值为parties
//重置中断状态为false
private void nextGeneration() {
// signal completion of last generation
trip.signalAll();
// set up next generation
count = parties;
generation = new Generation();
}
//唤醒所有处于休眠状态的线程，恢复执行
//重置count值为parties
//重置中断状态为true
private void breakBarrier() {
generation.broken = true;
count = parties;
trip.signalAll();
}
这个等待的await方法，其实是使用ReentrantLock和Condition控制实现的。
- 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();
}
}
小结：
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。
