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

Posted 2020-09-10 chenssy

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

CyclicBarrier，一个同步辅助类，在API中是这么介绍的：

它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中，这些线程必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier。

通俗点讲就是：让一组线程到达一个屏障时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。

实现分析

CyclicBarrier的结构如下：

通过上图我们可以看到CyclicBarrier的内部是使用重入锁ReentrantLock和Condition。它有两个构造函数：

• CyclicBarrier(int parties)：创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，但它不会在启动 barrier 时执行预定义的操作。

• CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) ：创建一个新的 CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，并在启动 barrier 时执行给定的屏障操作，该操作由最后一个进入 barrier 的线程执行。

parties表示拦截线程的数量。

barrierAction 为CyclicBarrier接收的Runnable命令，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction ，用于处理更加复杂的业务场景。

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

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

在CyclicBarrier中最重要的方法莫过于await()方法，在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前，将一直等待。如下：

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

await()方法内部调用dowait(boolean timed, long nanos)方法：

    private int dowait(boolean timed, long nanos)
            throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
            TimeoutException {
        //获取锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            //分代
            final Generation g = generation;

            //当前generation“已损坏”，抛出BrokenBarrierException异常
            //抛出该异常一般都是某个线程在等待某个处于“断开”状态的CyclicBarrie
            if (g.broken)
                //当某个线程试图等待处于断开状态的 barrier 时，或者 barrier 进入断开状态而线程处于等待状态时，抛出该异常
                throw new BrokenBarrierException();

            //如果线程中断，终止CyclicBarrier
            if (Thread.interrupted()) {
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }

            //进来一个线程 count - 1
            int index = --count;
            //count == 0 表示所有线程均已到位，触发Runnable任务
            if (index == 0) {  // tripped
                boolean ranAction = false;
                try {
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    //触发任务
                    if (command != null)
                        command.run();
                    ranAction = true;
                    //唤醒所有等待线程，并更新generation
                    nextGeneration();
                    return 0;
                } finally {
                    if (!ranAction)
                        breakBarrier();
                }
            }


            for (;;) {
                try {
                    //如果不是超时等待，则调用Condition.await()方法等待
                    if (!timed)
                        trip.await();
                    else if (nanos > 0L)
                        //超时等待，调用Condition.awaitNanos()方法等待
                        nanos = trip.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException ie) {
                    if (g == generation && ! g.broken) {
                        breakBarrier();
                        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)
                    throw new BrokenBarrierException();

                //generation已经更新，返回index
                if (g != generation)
                    return index;

                //“超时等待”，并且时间已到,终止CyclicBarrier，并抛出异常
                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

其实await()的处理逻辑还是比较简单的：如果该线程不是到达的最后一个线程，则他会一直处于等待状态，除非发生以下情况：

1. 最后一个线程到达，即index == 0
2. 超出了指定时间（超时等待）
3. 其他的某个线程中断当前线程
4. 其他的某个线程中断另一个等待的线程
5. 其他的某个线程在等待barrier超时
6. 其他的某个线程在此barrier调用reset()方法。reset()方法用于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的更显换代。在CyclicBarrier中，同一批线程属于同一代。当有parties个线程到达barrier，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() {
        trip.signalAll();
        count = parties;
        generation = new Generation();
    }

CyclicBarrier同时也提供了await(long timeout, TimeUnit unit) 方法来做超时控制，内部还是通过调用doawait()实现的。

应用场景

CyclicBarrier试用与多线程结果合并的操作，用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。比如我们需要统计多个Excel中的数据，然后等到一个总结果。我们可以通过多线程处理每一个Excel，执行完成后得到相应的结果，最后通过barrierAction来计算这些线程的计算结果，得到所有Excel的总和。

应用示例

比如我们开会只有等所有的人到齐了才会开会，如下：

public class CyclicBarrierTest {
    private static CyclicBarrier cyclicBarrier;

    static class CyclicBarrierThread extends Thread{
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到了");
            //等待
            try {
                cyclicBarrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args){
        cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("人到齐了，开会吧....");
            }
        });

        for(int i = 0 ; i < 5 ; i++){
            new CyclicBarrierThread().start();
        }
    }
}

运行结果：

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