Java多线程之同步工具类CyclicBarrier

时间:2022-12-05 10:24:42

前言:

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():CyclicBarrier上进行阻塞等待,直到发生以下情形之一:

  • 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):CyclicBarrier上进行限时的阻塞等待,直到发生以下情形之一:

  • 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:

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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:

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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:

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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:

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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:

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/** 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ReentrantLockCondition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:

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//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partiescount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

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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:

 

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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Conditionawait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:

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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

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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:

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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

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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

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//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

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//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ReentrantLockCondition控制实现的。
3.CyclicBarrier可以重复使用。

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