AQS源码探究_08 CyclicBarrier源码分析

Posted 2021-05-18 兴趣使然の草帽路飞

1、简介

CyclicBarrier，回环栅栏，它会阻塞一组线程直到这些线程同时达到某个条件才继续执行。它与CountDownLatch很类似，但又不同，CountDownLatch需要调用countDown()方法触发事件，而CyclicBarrier不需要，它就像一个栅栏一样，当一组线程都到达了栅栏处才继续往下走。

• 工作原理图：

• CyclicBarrier与CountDownLatch的异同？
  • 两者都能实现阻塞一组线程等待被唤醒；
  • 前者是最后一个线程到达时自动唤醒；
  • 后者是通过显式地调用countDown()实现的；
  • 前者是通过重入锁及其条件锁实现的，后者是直接基于AQS实现的；
  • 前者具有“代”的概念，可以重复使用，后者只能使用一次；
  • 前者只能实现多个线程到达栅栏处一起运行；
  • 后者不仅可以实现多个线程等待一个线程条件成立，还能实现一个线程等待多个线程条件成立（详见CountDownLatch那章使用案例）；

2、入门案例

在分析源码之前，先看一个入门案例：

• 使用一个CyclicBarrier使得5个玩家线程保持同步，当5个线程同时到达 cyclicBarrier.await();处，大家再一起往下运行。

/**
 * date: 2021/5/10
 *
 * @author csp
 */
public class CyclicBarrierTest01 {
    /**
     * 案例：
     * 模拟过 “王者荣耀” 游戏开始逻辑
     */
    public static void main(String[] args) {
        // 第一步：定义玩家，定义5个
        String[] heros = {"安琪拉", "亚瑟", "马超", "张飞", "刘备"};

        // 第二步：创建固定线程数量的线程池，线程数量为5
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);

        // 第三步：创建barrier，parties 设置为5
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);

        // 第四步：通过for循环开启5任务，模拟开始游戏，传递给每个任务(英雄名称和barrier)
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            service.execute(new Player(heros[i], barrier));
        }

        // 所有线程执行完毕，关闭线程池释放资源
        service.shutdown();
    }

    /**
     * 玩家线程：
     */
    static class Player implements Runnable {
        // 英雄名称
        private String hero;
        // barrier
        private CyclicBarrier barrier;

        public Player(String hero, CyclicBarrier barrier) {
            this.hero = hero;
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                // 每个玩家加载进度不一样，这里使用随机数来模拟！
                TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
                System.out.println(hero + "：加载进度100%，等待其他玩家加载完成中...");
                // 只有当5个玩家线程都加载完毕后，栅栏才放行！
                barrier.await();
                System.out.println(hero + "：发现所有英雄加载完成，开始战斗吧！");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

运行结果如下：

张飞：加载进度100%，等待其他玩家加载完成中...
亚瑟：加载进度100%，等待其他玩家加载完成中...
马超：加载进度100%，等待其他玩家加载完成中...
安琪拉：加载进度100%，等待其他玩家加载完成中...
刘备：加载进度100%，等待其他玩家加载完成中...
刘备：发现所有英雄加载完成，开始战斗吧！
张飞：发现所有英雄加载完成，开始战斗吧！
安琪拉：发现所有英雄加载完成，开始战斗吧！
马超：发现所有英雄加载完成，开始战斗吧！
亚瑟：发现所有英雄加载完成，开始战斗吧！

3、源码分析

成员属性

// 重入锁: 因为barrier实现是依赖于Condition条件队列的，condition条件队列必须依赖lock才能使用。
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

// 条件锁，名称为trip，绊倒的意思，可能是指线程来了先绊倒，等达到一定数量了再唤醒:
// 线程挂起实现使用的condition队列。
// 条件：当前代所有线程到位，这个条件队列内的线程才会被唤醒。
private final Condition trip = lock.newCondition();

// // 需要等待的线程数量: Barrier需要参与进来的线程数量
private final int parties;

// 当唤醒的时候执行的命令: 当前代最后一个到位的线程需要执行的事件
private final Runnable barrierCommand;

// 代: 表示barrier对象 当前 “代”
private Generation generation = new Generation();

// 当前这一代还需要等待的线程数: 
// 表示当前“代”还有多少个线程未到位,初始值为parties。
private int count;

内部类

Generation，中文翻译为"代"，一代人的代，用于控制CyclicBarrier的循环使用。

比如，上面示例中的5个线程完成后进入下一代，继续等待5个线程达到栅栏处再一起执行，而CountDownLatch则做不到这一点，CountDownLatch是一次性的，无法重置其次数。

/**
 * 表示：“代”
 */
private static class Generation {
    // 表示当前“代”是否被打破，如果代被打破，那么再来到这一代的线程 就会直接抛出BrokenException异常
    // 且在这一代挂起的线程都会被唤醒，然后抛出 BrokerException异常。
    boolean broken = false;
}

构造方法

构造方法需要传入一个parties变量，也就是需要等待的线程数。

/* 
 * parties：Barrier需要参与的线程数量，每次屏障需要参与的线程数
 * barrierAction：当前“代”最后一个到位的线程，需要执行的事件（可以为null）
 */
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    // 因为小于等于0的barrier没有任何意义..没有任何线程可以参与进来~
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    // 初始化parties
    this.parties = parties;
	// 初始化count等于parties，后面当前代每到位一个线程，count--
    this.count = parties;
    // 初始化都到达栅栏处执行的命令
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

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

成员方法

1. nextGeneration方法

/**
 * 开启下一代的方法，当这一代所有线程到位后（假设barrierCommand不为空，还需要最后一个线程执行完事件），
 * 会调用nextGeneration()开启新的一代。
 */
private void nextGeneration() {
    // 将在trip条件队列内挂起的线程全部唤醒
    trip.signalAll();

    // 重置count为parties
    count = parties;

    // 开启新的一代..使用一个新的generation对象，表示新的一代，新的一代和上一代没有任何关系。
    generation = new Generation();
}

2. breakBarrier方法

/**
 * 打破barrier屏障，在屏障内的线程都会抛出异常..
 */
private void breakBarrier() {
    // 将代中的broken设置为true，表示这一代是被打破了的，再来到这一代的线程，直接抛出异常.
    generation.broken = true;
    // 重置count为parties
    count = parties;
    // 将在trip条件队列内挂起的线程全部唤醒，唤醒后的线程会检查当前代是否是打破的，
    // 如果是打破的话，接下来的逻辑和开启下一代唤醒的逻辑不一样.
    trip.signalAll();
}

3. await()方法

• 每个需要在栅栏处等待的线程都需要显式地调用await()方法等待其它线程的到来。

public int await(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException,
           BrokenBarrierException,
           TimeoutException {
     
	// 调用dowait方法，不需要超时           
    return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}

4. dowait方法（重点）

• dowait()方法里的整个逻辑分成两部分：

（1）最后一个线程走上面的逻辑，当count减为0的时候，打破栅栏，它调用nextGeneration()方法通知条件队列中的等待线程转移到AQS的队列中等待被唤醒，并进入下一代。

（2）非最后一个线程走下面的for循环逻辑，这些线程会阻塞在condition的await()方法处，它们会加入到条件队列中，等待被通知，当它们唤醒的时候已经更新换“代”了，这时候返回。

/**
 * timed：表示当前调用await方法的线程是否指定了超时时长，如果true 表示 线程是响应超时的
 * nanos：线程等待超时时长纳秒，如果 timed == false ===> nanos == 0
 */
private int dowait(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
        TimeoutException {
    // 获取barrier全局锁对象
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    // 为什么要加锁呢？
    // 因为 barrier的挂起和唤醒依赖的组件都是condition。
    lock.lock();
    try {
        // 当前代: 获取barrier当前的 “代”
        final Generation g = generation;

        // 检查: 如果当前代是已经被打破状态，则当前调用await方法的线程，直接抛出Broken异常
        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();

        // 中断检查: 如果当前线程的中断标记位为true，则打破当前代，然后当前线程抛出中断异常
        if (Thread.interrupted()) {
            // 1.设置当前代的状态为broken状态  
            // 2.唤醒在trip条件队列内的线程
            breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }

        // 执行到这里，说明 当前线程中断状态是正常的 false， 当前代的broken为 false（未打破状态）
        // 正常逻辑...
		
        // count的值减1
        // 假设 parties 给的是 5，那么index对应的值为 4,3,2,1,0
        int index = --count;
        // 如果数量减到0了，走这段逻辑（最后一个线程走这里）:
        // 条件成立：说明当前线程是最后一个到达barrier的线程，此时需要做什么呢？
        if (index == 0) {  // tripped
            // 标记：true表示 最后一个线程 执行cmd时未抛异常。  false，表示最后一个线程执行cmd时抛出异常了.
            // cmd就是创建 barrier对象时 指定的第二个 Runnable接口实现，这个可以为null
            boolean ranAction = false;
            try {
				// 如果初始化的时候传了命令，这里执行
                final Runnable command = barrierCommand;
                // 条件成立：说明创建barrier对象时 指定 Runnable接口了，这个时候最后一个到达的线程 就需要执行这个接口
                if (command != null)
                    command.run();

                // command.run()未抛出异常的话，那么线程会执行到这里。
                ranAction = true;

                // 调用下一代方法: 开启新的一代
                // 1.唤醒trip条件队列内挂起的线程，被唤醒的线程 会依次 获取到lock，然后依次退出await方法。
                // 2.重置count 为 parties
                // 3.创建一个新的generation对象，表示新的一代
                nextGeneration();
                // 返回0，因为当前线程是此 代 最后一个到达的线程，所以Index == 0
                return 0;
            } finally {
                if (!ranAction)
                    // 如果command.run()执行抛出异常的话，会进入到这里。
                    breakBarrier();
            }
        }

        // 执行到这里，说明当前线程 并不是最后一个到达Barrier的线程..此时需要进入一个自旋中.

		// 这个循环只有非最后一个线程可以走到
        // 自旋，一直到条件满足、当前代被打破、线程被中断，等待超时
        for (;;) {
            try {
                // 条件成立：说明当前线程是不指定超时时间的
                if (!timed)
                    // 调用condition的await()方法:
                    // 当前线程 会 释放掉lock，然后进入到trip条件队列的尾部，然后挂起自己，等待被唤醒。
                    trip.await();
                else if (nanos > 0L)
					// 超时等待方法:
                    // 说明当前线程调用await方法时 是指定了超时时间的！
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                // 抛出中断异常，会进来这里。
                // 什么时候会抛出InterruptedException异常呢？
                // Node节点在 条件队列内 时 收到中断信号时 会抛出中断异常！


                // 条件一：g == generation 成立，说明当前代并没有变化。
                // 条件二：! g.broken 当前代如果没有被打破，那么当前线程就去打破，并且抛出异常..
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    breakBarrier();
                    throw ie;
                } else {
                    // 执行到else有几种情况？
                    // 1.代发生了变化，这个时候就不需要抛出中断异常了，因为 代已经更新了，这里唤醒后就走正常逻辑了..只不过设置下 中断标记。
                    // 2.代没有发生变化，但是代被打破了，此时也不用返回中断异常，执行到下面的时候会抛出  brokenBarrier异常。也记录下中断标记位。
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }

            // 唤醒后，执行到这里，有几种情况？
            // 1.正常情况，当前barrier开启了新的一代（trip.signalAll()）
            // 2.当前Generation被打破，此时也会唤醒所有在trip上挂起的线程
            // 3.当前线程trip中等待超时，然后主动转移到 阻塞队列 然后获取到锁 唤醒。

            // 检查: 
            // 条件成立：当前代已经被打破
            if (g.broken)
                // 线程唤醒后依次抛出BrokenBarrier异常。
                throw new BrokenBarrierException();

            // 唤醒后，执行到这里，有几种情况？
            // 1.正常情况，当前barrier开启了新的一代（trip.signalAll()）,
            // 3.当前线程trip中等待超时，然后主动转移到 阻塞队列 然后获取到锁 唤醒。
			// 正常来说这里肯定不相等
			// 因为上面打破栅栏的时候调用nextGeneration()方法时generation的引用已经变化了
           
            // 条件成立：说明当前线程挂起期间，最后一个线程到位了，然后触发了开启新的一代的逻辑，此时唤醒trip条件队列内的线程。
            if (g != generation)
                // 返回当前线程的index。
                return index;

            // 唤醒后，执行到这里，有几种情况？
            // 3.当前线程trip中等待超时，然后主动转移到阻塞队列然后获取到锁 唤醒。
            // 超时检查
            if (timed && nanos <= 0L) {
                // 打破barrier
                breakBarrier();
                // 抛出超时异常.
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

4、总结

• CyclicBarrier会使一组线程阻塞在await()处，当最后一个线程到达时唤醒（只是从条件队列转移到AQS队列中）前面的线程大家再继续往下走；
• CyclicBarrier不是直接使用AQS实现的一个同步器；
• CyclicBarrier基于ReentrantLock及其Condition实现整个同步逻辑；