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Java多线程之同步工具类CyclicBarrier

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0705

这篇文章主要介绍Java多线程之同步工具类CyclicBarrier,它是一个同步工具类，它允许一组线程互相等待，直到达到某个公共屏障点，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,该命令只在每个屏障点运行一次

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():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：

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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：

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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

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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：

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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ReentrantLock和Condition控制实现的。
3.CyclicBarrier可以重复使用。

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