concurrent同步屏障 CyclicBarrier & 源码分析

Posted 2020-11-03 人生如逆旅，我亦是行人。

参考文档：
Java多线程系列--“JUC锁”10之 CyclicBarrier原理和示例：https://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3533995.html
简介
CyclicBarrier是一个同步辅助类，允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。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。基于ReentrantLock实现
举个栗子

/**
 * 简单模拟一下对战平台中玩家需要完全准备好了,才能进入游戏的场景。
 * 
 * @author BFD_526
 * 
 */
public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {
        test();
    }
    // 同步屏障
    static void test() {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            service.execute(new Player("玩家" + i, barrier));
        }
        service.shutdown();
    }
    // 同步屏障重置
    static void test1() {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            service.execute(new Player("玩家" + i, barrier));
        }
        for (int i = 5; i < 10; i++) {
            service.execute(new Player("玩家" + i, barrier));
        }
        service.shutdown();
    }
    // 在同步屏障结束后，启动优先线程
    static void test2() {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        CyclicBarrier ba = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("所有玩家已就位");
            }
        });
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            service.execute(new Player("玩家" + i, ba));
        }
    }
}

class Player implements Runnable {
    private final String name;
    private final CyclicBarrier barrier;

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

    public void run() {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1 + (new Random().nextInt(3)));
            System.out.println(name + "已准备,等待其他玩家准备...");
            barrier.await();
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1 + (new Random().nextInt(3)));
            System.out.println(name + "已加入游戏");
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(name + "离开游戏");
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            System.out.println(name + "离开游戏");
        }
    }
}

View Code

源码分析

函数列表

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
int await()：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
int await(long timeout, TimeUnit unit)：在所有参与者都已经在此屏障上调用 await 方法之前将一直等待,或者超出了指定的等待时间
int getNumberWaiting()：返回当前在屏障处等待的参与者数目
int getParties()：返回要求启动此 barrier 的参与者数目
boolean isBroken()：查询此屏障是否处于损坏状态
void reset()：将屏障重置为其初始状态

await()

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

private int dowait(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
           TimeoutException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取“独占锁(lock)”
    lock.lock();
    try {
        // 保存“当前的generation”
        final Generation g = generation;
        // 若“当前generation已损坏”，则抛出异常。
        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();
        // 如果当前线程被中断，则通过breakBarrier()终止CyclicBarrier，唤醒CyclicBarrier中所有等待线程。
        if (Thread.interrupted()) {
            breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }
       // 将“count计数器”-1
       int index = --count;
       // 如果index=0，则意味着“有parties个线程到达barrier”
       if (index == 0) {  // tripped
           boolean ranAction = false;
           try {
               // 如果barrierCommand不为null，则执行该动作
               final Runnable command = barrierCommand;
               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();
           }
       }
        // 当前线程一直阻塞，直到“有parties个线程到达barrier” 或 “当前线程被中断” 或 “超时”这3者之一发生，
        // 当前线程才继续执行。
        for (;;) {
            try {
                // 如果不是“超时等待”，则调用awati()进行等待；否则，调用awaitNanos()进行等待
                if (!timed)
                    trip.await();
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                // 如果等待过程中，线程被中断，则执行下面的函数
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    breakBarrier();
                    throw ie;
                } else {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
            // 如果“当前generation已经损坏”，则抛出异常
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();
            // 如果“generation已经换代”，则返回index
            if (g != generation)
                return index;
            // 如果是“超时等待”，并且时间已到，则通过breakBarrier()终止CyclicBarrier，唤醒CyclicBarrier中所有等待线程
            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        // 释放“独占锁(lock)”
        lock.unlock();
    }
}

generation是CyclicBarrier的一个成员变量，它的定义如下：

private Generation generation = new Generation();

private static class Generation {
    boolean broken = false;
}

在CyclicBarrier中，同一批的线程属于同一代，即同一个Generation；CyclicBarrier中通过generation对象，记录属于哪一代
当有parties个线程到达barrier，generation就会被更新换代
换代：

//换代
private void nextGeneration() {
    trip.signalAll();
    count = parties;
    generation = new Generation();
}

private void breakBarrier() {
    generation.broken = true;
    count = parties;
    trip.signalAll();
}