Java多线程同步工具类之CyclicBarrier

Java基础

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2019-9-6

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一、CyclicBarrier使用

CyclicBarrier从字面上可以直接理解为线程运行的屏障,它可以让一组线程执行到一个共同的屏障点时被阻塞,直到最后一个线程执行到指定位置,你设置的执行线程就会触发运行;同时CyclicBarrier相比与CountDownLatch,它是可以被重置的;下面我们通过一个简单例子看下CyclicBarrier的使用;

实例化一个CyclicBarrier对象并传入你要控制的线程内部;

    public static void main(String[] args) {

        CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(3, new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println("所有线程集合");
            }
        });
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new CyclicBarrierThread(i + "", cb).start();
        }

    }

计数线程代码,每当计数到偶数时调用CyclicBarrier的await()方法

public class CyclicBarrierThread extends Thread{
    
    private CyclicBarrier barrier;
    
    private String name;
    
    private int count;
    
    public CyclicBarrierThread(String name,CyclicBarrier barrier) {
        this.name=name;
        this.barrier=barrier;
        this.count=0;
    }
    
    public void run() {
        try {
            for(int i=0;i<10;i++) {
                
                Thread.sleep(100);
                count++;
                System.out.println(name+"号线程---"+Thread.currentThread().getName()+"开始计数:"+count);
                if(count%2==0) {//每计数到偶数次时集合一次
                    barrier.await();
                    System.out.println(name+"号线程---"+Thread.currentThread().getName()+"集合完毕,继续计数");
                }
            }
            
        } catch (Exception e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

查看代码输出

2号线程---Thread-2开始计数:1
0号线程---Thread-0开始计数:1
1号线程---Thread-1开始计数:1
2号线程---Thread-2开始计数:2
1号线程---Thread-1开始计数:2
0号线程---Thread-0开始计数:2
所有线程集合
2号线程---Thread-2集合完毕,继续计数
1号线程---Thread-1集合完毕,继续计数
0号线程---Thread-0集合完毕,继续计数
2号线程---Thread-2开始计数:3
1号线程---Thread-1开始计数:3
0号线程---Thread-0开始计数:3
2号线程---Thread-2开始计数:4
0号线程---Thread-0开始计数:4
1号线程---Thread-1开始计数:4
所有线程集合
1号线程---Thread-1集合完毕,继续计数
2号线程---Thread-2集合完毕,继续计数
0号线程---Thread-0集合完毕,继续计数
0号线程---Thread-0开始计数:5
2号线程---Thread-2开始计数:5
1号线程---Thread-1开始计数:5
0号线程---Thread-0开始计数:6
1号线程---Thread-1开始计数:6
2号线程---Thread-2开始计数:6
所有线程集合
2号线程---Thread-2集合完毕,继续计数
0号线程---Thread-0集合完毕,继续计数
1号线程---Thread-1集合完毕,继续计数
0号线程---Thread-0开始计数:7
1号线程---Thread-1开始计数:7
2号线程---Thread-2开始计数:7
1号线程---Thread-1开始计数:8
0号线程---Thread-0开始计数:8
2号线程---Thread-2开始计数:8
所有线程集合
2号线程---Thread-2集合完毕,继续计数
0号线程---Thread-0集合完毕,继续计数
1号线程---Thread-1集合完毕,继续计数
0号线程---Thread-0开始计数:9
1号线程---Thread-1开始计数:9
2号线程---Thread-2开始计数:9
1号线程---Thread-1开始计数:10
0号线程---Thread-0开始计数:10
2号线程---Thread-2开始计数:10
所有线程集合
1号线程---Thread-1集合完毕,继续计数
2号线程---Thread-2集合完毕,继续计数
0号线程---Thread-0集合完毕,继续计数

通过输出结果可以看到,计数线程每计数到偶数次时使用CyclicBarrier的await()方法,线程都会进入阻塞等待的状态,直到最后一个线程到达屏障点时,触发你定义的执行线程,而且CyclicBarrier的await()方法是可以重复使用的。

二、CyclicBarrier源码分析

下面我们就对CyclicBarrier内部的源码实现进行一些分析与总结

1、CyclicBarrier的构造

首先看下CyclicBarrier的构造函数

    public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        //拦截的线程数量
        this.parties = parties;
        //用于计数的count值,每有一个线程执行到屏障点,就会递减1
        this.count = parties;
        //定义的拦截线程
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }

CyclicBarrier的构造函数很简单就是接收你要拦截的线程数量与定义的执行线程。

2、await方法

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

我们看下具体实现dowait方法的实现

    private int dowait(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
               TimeoutException {
        //获取可重入锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //加锁
        lock.lock();
        try {
            //CyclicBarrier内部定义的一个Generation类
            final Generation g = generation;

            //判断Generation的broken状态
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();

            //如果线程被中断
            if (Thread.interrupted()) {
                //Generation的broken置为true,count值重置,并唤醒所有线程
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }

            //count值减一
            int index = --count;
            if (index == 0) {  // 如果conunt为0,说明最后一个线程到大屏障
                boolean ranAction = false;
                try {
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    if (command != null)
                        command.run();//执行你传入的线程
                    ranAction = true;
                    nextGeneration();//唤醒所有阻塞的线程,同时重置count值与Generation
                    return 0;
                } finally {
                    if (!ranAction)
                        //拦截线程没有正常执行,唤醒所有线程,同时重置count值,Generation的broken置为true
                        breakBarrier();
                }
            }

            // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
            for (;;) {
                try {
                    //是否设置阻塞的超时时间
                    if (!timed)
                        //释放当前锁
                        trip.await();//false 表示不设置,一直阻塞
                    else if (nanos > 0L)
                        nanos = trip.awaitNanos(nanos);//true 设置阻塞的超时时间
                } 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();

                if (g != generation)
                    return index;

                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

dowait方法的实现流程是很清晰的,通过ReentrantLock的Condition接口与count值相互配合,主要完成以下功能:

1、当需要拦截的线程到达屏障点调用await方法后获取ReentrantLock锁,保证线程安全;

2、检查count值是否为0,判断是否是最后一个线程到达屏障,如果是的话执行需要触发执行的线程,调用Condition的signalAll方法唤醒所有阻塞的线程,并重置count值与Generation类,保障CyclicBarrier的重复可用;

3、如果不是最后一个线程的话,根据传入的参数调用Condition的await方法释放锁资源并进入阻塞等待,直到被唤醒;

3、reset方法

可以用来主动重置CyclicBarrier的状态

    public void reset() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            //generation.broken设置为true,唤醒所有线程,count值重置
            breakBarrier();   
            nextGeneration(); 
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    
    private void nextGeneration() {
        // signal completion of last generation
        trip.signalAll();
        // set up next generation
        count = parties;
        generation = new Generation();
    }


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

breakBarrier()与nextGeneration(),这两个方法的主要区别就在于前者会把generation.broken设置为true,也就是说如果调用reset方法主动重置CyclicBarrier类的状态,当前正在使用CyclicBarrier类同步的线程都会被唤醒或抛出异常;

4、getNumberWaiting方法

    public int getNumberWaiting() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            return parties - count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

很明显getNumberWaiting方法使用来获取当前已经运行至屏蔽点并阻塞等待的线程数量的;

三、总结

通过上面分析可以看到CyclicBarrier的实现原理相对还是比较简单与清晰的,主要是基于ReentrantLock与计数器相结合来实现多个线程的同步控制的。以上就是对CyclicBarrier类的使用与内部实现进行的分析,其中如有不足与不正确的地方还望指出与海涵。

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作者:bigfan