Java并发编程之CyclicBarrier详解

　

cyclicbarrier

简介

栅栏类似于闭锁，它能阻塞一组线程直到某个事件的发生。栅栏与闭锁的关键区别在于，所有的线程必须同时到达栅栏位置，才能继续执行。闭锁用于等待事件，而栅栏用于等待其他线程。

CyclicBarrier可以使一定数量的线程反复地在栅栏位置处汇集。当线程到达栅栏位置时将调用await方法，这个方法将阻塞直到所有线程都到达栅栏位置。如果所有线程都到达栅栏位置，那么栅栏将打开，此时所有的线程都将被释放，而栅栏将被重置以便下次使用。

CyclicBarrier源码解析

CyclicBarrier的类图如下： 

通过类图我们可以看到，CyclicBarrier内部使用了ReentrantLock和Condition两个类。它有两个构造函数：

public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new illegalargumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barriercommand = barrierAction;
}

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，每个线程使用await()方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

CyclicBarrier的另一个构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于线程到达屏障时，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：

public int await() throws InterruptedException, brokenBarrierException {
    try {
        // 不超时等待
        return dowait(false, 0L);
    } catch (TimeoutException toe) {
        throw new ERROR(toe); // cannot hAPPen
    }
}

public int await(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException,
            BrokenBarrierException,
            TimeoutException {
    return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}

这两个方法最终都会调用dowait(boolean, long)方法，它也是CyclicBarrier的核心方法，该方法定义如下：

private int dowait(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
            TimeoutException {
    // 获取独占锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 当前代
        final Generation g = generation;
        // 如果这代损坏了，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栅栏上的线程
            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;
                // 执行栅栏任务
                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 {
                // 如果执行栅栏任务的时候失败了，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) {
                // 当前代没有损坏
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    // 让栅栏失效
                    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栅栏的执行，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，返回当前线程所在栅栏的下标
            // 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栅栏，当别的栅栏唤醒了这个线程，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，销毁栅栏并抛出异常
            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        // 释放独占锁
        lock.unlock();
    }
}

dowait(boolean, long)方法的主要逻辑处理比较简单，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

在上面的源代码中，我们可能需要注意Generation 对象，在上述代码中我们总是可以看到抛出BrokenBarrierException异常，那么什么时候抛出异常呢？如果一个线程处于等待状态时，如果其他线程调用reset()，或者调用的barrier原本就是被损坏的，则抛出BrokenBarrierException异常。同时，任何线程在等待时被中断了，则其他所有线程都将抛出BrokenBarrierException异常，并将barrier置于损坏状态。

同时，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。

private static class Generation {
    boolean broken = false;
}

默认barrier是没有损坏的。当barrier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();
}

在breakBarrier()中除了将broken设置为true，还会调用signalAll将在CyclicBarrier处于等待状态的线程全部唤醒。

当所有线程都已经到达barrier处（index == 0），则会通过nextGeneration()进行更新换地操作，在这个步骤中，做了三件事：唤醒所有线程，重置count，generation：

private void nextGeneration() {
    // signal completion of last generation
    trip.signalAll();
    // set up next generation
    count = parties;
    generation = new Generation();
}

除了上面讲到的栅栏更新换代以及损坏状态，我们在使用CyclicBarrier时还要要注意以下几点：

• CyclicBarrier使用独占锁来执行await方法，并发性可能不是很高
• 如果在等待过程中，线程被中断了，就抛出异常。但如果中断的线程所对应的CyclicBarrier不是这代的，比如，在最后一次线程执行signalAll后，并且更新了这个“代”对象。在这个区间，这个线程被中断了，那么，JDK认为任务已经完成了，就不必在乎中断了，只需要打个标记。该部分源码已在dowait(boolean, long)方法中进行了注释。
• 如果线程被其他的CyclicBarrier唤醒了，那么g肯定等于generation，这个事件就不能return了，而是继续循环阻塞。反之，如果是当前CyclicBarrier唤醒的，就返回线程在CyclicBarrier的下标。完成了一次冲过栅栏的过程。该部分源码已在dowait(boolean, long)方法中进行了注释。

应用程序示例

我们看一个CyclicBarrier的应用示例：

public class CyclicBarrierTest {
	// 自定义工作线程
	private static class Worker extends Thread {
		private CyclicBarrier cyclicBarrier;
		
		public Worker(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
			this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
		}
		
		@Override
		public void run() {
			super.run();
			
			try {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始等待其他线程");
				cyclicBarrier.await();
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
				// 工作线程开始处理，这里用Thread.sleep()来模拟业务处理
				Thread.sleep(1000);
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
			} catch (Exception e) {
				e.printstacktrace();
			}
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		int threadCount = 3;
		CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(threadCount);
		
		for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
			System.out.println("创建工作线程" + i);
			Worker worker = new Worker(cyclicBarrier);
			worker.start();
		}
	}
}

运行结果（不唯一）：

创建工作线程0
创建工作线程1
Thread-0开始等待其他线程
创建工作线程2
Thread-1开始等待其他线程
Thread-2开始等待其他线程
Thread-2开始执行
Thread-0开始执行
Thread-1开始执行
Thread-1执行完毕
Thread-0执行完毕
Thread-2执行完毕

在上述代码中，我们自定义的工作线程必须要等所有参与线程开始之后才可以执行，我们可以使用CyclicBarrier类来帮助我们完成。从程序的执行结果中也可以看出，所有的工作线程都运行await()方法之后都到达了栅栏位置，然后，3个工作线程才开始执行业务处理。

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，可以使用多次，所以CyclicBarrier能够处理更为复杂的场景；

CyclicBarrier还提供了一些其他有用的方法，比如getNumberWaiting()方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量，isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断；

CountDownLatch允许一个或多个线程等待一组事件的产生，而CyclicBarrier用于等待其他线程运行到栅栏位置。

相关博客

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AbstractQueuedSynchronizer独占式同步状态获取与释放

java并发编程之ReentrantLock详解

Java并发编程之Condition详解

参考资料

方腾飞：《Java并发编程的艺术》

Doug Lea：《Java并发编程实战》

【死磕Java并发】-----J.U.C之并发工具类：CyclicBarrier

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