深耕 JDK 源码 - Phaser
Phaser 是 Java 8 引入的一种同步工具，用于协调多个线程之间的同步操作。它提供了更灵活和高级的同步功能，可以替代传统的 CountDownLatch 和 CyclicBarrier，用于更复杂的并发场景。本文将详细介绍 Phaser 的实现原理、常见用法以及代码示例。
Phaser 的实现原理
Phaser 的实现原理基于一个 phase（阶段）的概念，线程可以在这个阶段中等待其他线程的到达，然后一起继续执行下一阶段的任务。Phaser 内部维护了一个参与者（parties）的计数器，表示当前参与 Phaser 同步的线程数量。每当一个线程调用 Phaser 的 arriveAndAwaitAdvance() 方法时，它会将自己标记为已到达，并等待其他线程的到达；当所有线程都到达时，Phaser 会自动进入下一个阶段，并唤醒所有等待的线程。
Phaser 支持多个阶段的连续同步操作，每个阶段都有一个参与者计数器，控制着当前阶段的线程数量。当一个阶段的参与者数量为 0 时，表示当前阶段的所有线程都已完成任务，Phaser 会自动进入下一个阶段。Phaser 还支持对参与者的动态注册和注销，从而在运行时动态地调整同步的线程数量。
Phaser 还提供了可选的注册和注销回调，使得在阶段的开始和结束时可以执行自定义的操作，从而更加灵活地控制同步的行为。Phaser 内部使用了一些高效的同步机制，如 CAS 操作和 volatile 变量，来保证多线程间的同步和顺序性。
Phaser 的常见用法
Phaser 可以用于各种并发场景，如多线程任务的协同工作、分阶段的计算、循环执行任务等。下面是一些 Phaser 的常见用法：
1.多线程任务的协同工作
Phaser 可以用于将多个线程分成多个阶段进行协同工作。比如一个任务需要多个子任务依次完成，每个子任务都需要等待其他子任务的完成才能继续进行，这时可以使用 Phaser 来进行同步。示例代码如下：
class Worker implements Runnable {
private final Phaser phaser;
public Worker(Phaser phaser) {
this.phaser = phaser;
}
@Override
public void run() {
System.out.println("Worker " + Thread.currentThread().getName() + " starts");
phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待其他线程到达
System.out.println("Worker " + Thread.currentThread().getName() + " continues");
phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待其他线程到达
System.out.println("Worker " + Thread.currentThread().getName() + " finishes");
phaser.arriveAndDeregister(); // 注销自己
}
}
public class PhaserExample {
public static void main(String[] args) {
Phaser phaser = new Phaser(3); // 创建 Phaser，设置参与者数量为 3
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3); // 创建线程池
// 创建 3 个 Worker 实例，并提交到线程池中执行
for (int i = 0; i < 3; i++) {
executorService.execute(new Worker(phaser));
}
// 关闭线程池
executorService.shutdown();
}
}
在这个示例中，我们创建了一个 Phaser 实例，并将参与者数量设置为 3。然后，我们创建了 3 个 Worker 实例，并提交到线程池中执行。每个 Worker 实例在执行时都会调用 Phaser 的 arriveAndAwaitAdvance() 方法，等待其他线程的到达。当所有线程都到达时，Phaser 会自动进入下一个阶段，从而实现了多线程任务的协同工作。
2.分阶段的计算
Phaser 可以用于将计算任务分成多个阶段进行处理。比如一个复杂的计算任务需要经过多个阶段，每个阶段都有不同的处理逻辑，这时可以使用 Phaser 来进行分阶段的计算。示例代码如下：
class CalculationTask implements Runnable {
private final int phase;
private final Phaser phaser;
public CalculationTask(int phase, Phaser phaser) {
this.phase = phase;
this.phaser = phaser;
}
@Override
public void run() {
System.out.println("CalculationTask " + Thread.currentThread().getName() + " starts phase " + phase);
// 根据阶段号执行不同的计算逻辑
switch (phase) {
case 0:
// 第一阶段的计算逻辑
// ...
break;
case 1:
// 第二阶段的计算逻辑
// ...
break;
case 2:
// 第三阶段的计算逻辑
// ...
break;
// ...
default:
break;
}
System.out.println("CalculationTask " + Thread.currentThread().getName() + " finishes phase " + phase);
phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待其他线程到达
}
}
public class PhaserExample {
public static void main(String[] args) {
Phaser phaser = new Phaser(3); // 创建 Phaser，设置参与者数量为 3
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3); // 创建线程池
// 创建 3 个 CalculationTask 实例，并提交到线程池中执行
for (int i = 0; i < 3; i++) {
executorService.execute(new CalculationTask(i, phaser));
}
// 关闭线程池
executorService.shutdown();
}
}
在这个示例中，我们创建了一个 Phaser 实例，并将参与者数量设置为 3。然后，我们创建了 3 个 CalculationTask 实例，并提交到线程池中执行。每个 CalculationTask 实例在不同的阶段执行不同的计算逻辑，然后调用 Phaser 的 arriveAndAwaitAdvance() 方法等待其他线程的到达。当所有线程都完成当前阶段的计算后，Phaser 会自动进入下一个阶段，从而实现了分阶段的计算。
3.动态添加和删除参与者
Phaser 还支持动态添加和删除参与者。在某些场景下，可能需要在任务执行过程中动态地添加或删除参与者。Phaser 提供了 register()、arriveAndDeregister() 和 bulkRegister() 等方法来支持动态参与者的管理。示例代码如下：
class DynamicTask implements Runnable {
private final Phaser phaser;
private final String name;
public DynamicTask(Phaser phaser, String name) {
this.phaser = phaser;
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(name + " starts");
phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待其他线程到达
// 动态添加一个参与者
phaser.register();
System.out.println(name + " is added as a participant");
// 执行任务逻辑
System.out.println(name + " is working");
phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待其他线程到达
// 动态删除一个参与者
phaser.arriveAndDeregister();
System.out.println(name + " is removed as a participant");
}
}
public class PhaserExample {
public static void main(String[] args) {
Phaser phaser = new Phaser(1); // 创建 Phaser，初始参与者数量为 1
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3); // 创建线程池
// 创建 3 个 DynamicTask 实例，并提交到线程池中执行
for (int i = 0; i < 3; i++) {
executorService.execute(new DynamicTask(phaser, "Task " + i));
}
phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待所有线程注册
// 动态添加一个参与者
phaser.register();
System.out.println("Additional participant is added");
phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待所有线程执行任务
executorService.shutdown();
}
}
在这个示例中，我们创建了一个 Phaser 实例，并将初始参与者数量设置为 1。然后，我们创建了 3 个 DynamicTask 实例，并提交到线程池中执行。在任务执行过程中，我们使用了 register() 方法动态添加了一个参与者，并使用了 arriveAndDeregister() 方法动态删除了一个参与者。这种方式可以在任务执行过程中灵活地管理参与者数量。
总结：
JDK 8 中引入的 Phaser 类提供了一种强大的多线程协同工作的机制，可以用于同步多个线程之间的执行流程，并支持分阶段的任务处理和动态管理参与者。Phaser 的实现原理基于分层的树状结构，使用了类似于 CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的概念，并且提供了丰富的方法来满足不同的需求。通过使用 Phaser，我们可以简化多线程编程中的同步和协调操作，从而提高多线程应用程序的性能和可维护性。
在常见的使用场景中，Phaser 可以用于解决需要多个线程协同工作的问题，例如多阶段的并行计算、游戏引擎中的场景切换、分布式系统中的任务协调等。Phaser 提供了丰富的方法和灵活的特性，可以满足不同场景下的需求。
在使用 Phaser 时，需要注意一些注意事项，如合理设计阶段数量、合理使用 awaitAdvance() 方法和避免出现死锁等。此外，Phaser 也并不适合所有的多线程场景，对于简单的同步需求，使用其他的同步工具如 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 可能更加简单和适用。
总的来说，Phaser 是 JDK 8 提供的一个强大的多线程协同工作工具，通过其分阶段的任务处理和动态管理参与者的特性，可以在复杂的多线程场景中简化同步和协调操作，提高多线程应用程序的性能和可维护性。在实际应用中，合理使用 Phaser 可以充分发挥其优势，提升多线程编程的效果。
