简介
CyclicBarrier ,一个同步辅助类,在 AP I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( Cyclic ) 的 屏障( 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
java.util.concurrent.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。
代码如下:
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);
}
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parties 变量,表示拦截线程的总数量。
count 变量,表示拦截线程的剩余需要数量。
barrierAction 变量,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。
generation 变量,表示 CyclicBarrier 的更新换代。详细解析,见 「2.4 Generation」 。
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await
每个线程调用 #await() 方法,告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障,然后当前线程被阻塞。当所有线程都到达了屏障,结束阻塞,所有线程可继续执行后续逻辑。
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
}
}
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内部调用 #dowait(boolean timed, long nanos) 方法,执行阻塞等待( timed=true )。
理论来说,不会出现 TimeoutException 异常,所以在发生时,直接抛出 Error 错误。
the arrival index of the current thread, where index {@code getParties() - 1}
indicates the first to arrive and zero indicates the last to arrive
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await
await(long timeout, TimeUnit unit) 方法,在 #await() 的基础上,增加了等待超时的特性。代码如下:
public int await(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException,
BrokenBarrierException,
TimeoutException {
return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}
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内部调用 #dowait(boolean timed, long nanos) 方法,执行阻塞等待( timed=true )。
dowait
dowait(boolean timed, long nanos) 方法,代码如下:
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) // 未执行,说明 barrierCommand 执行报错,或者线程打断等等情况。
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();
}
}
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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:
- 最后一个线程到达,即 index == 0 。
- 超出了指定时间(超时等待)。
- 其他的某个线程中断当前线程。
- 其他的某个线程中断另一个等待的线程。
- 其他的某个线程在等待 barrier 超时。
- 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 #dowait(boolean timed, long nanos) 方法的源代码中,我们总是可以看到抛出 BrokenBarrierException 异常,那么什么时候抛出异常呢?例如:
如果一个线程处于等待状态时,如果其他线程调用 #reset() 方法。
调用的 barrier 原本就是被损坏的,则抛出 BrokenBarrierException 异常。
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。
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Generation
Generation 是 CyclicBarrier 内部静态类,描述了 CyclicBarrier 的更新换代。在CyclicBarrier中,同一批线程属于同一代。当有 parties 个线程全部到达 barrier 时,generation 就会被更新换代。其中 broken 属性,标识该当前 CyclicBarrier 是否已经处于中断状态。代码如下:
private static class Generation {
boolean broken = false;
}
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默认 barrier 是没有损坏的。
breakBarrier
当 barrier 损坏了,或者有一个线程中断了,则通过 #breakBarrier() 方法,来终止所有的线程。代码如下:
private void breakBarrier() {
generation.broken = true;
count = parties;
trip.signalAll();
}
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在 breakBarrier() 方法中,中除了将 broken设置为 true ,还会调用 #signalAll() 方法,将在 CyclicBarrier 处于等待状态的线程全部唤醒。
nextGeneration
当所有线程都已经到达 barrier 处(index == 0),则会通过 nextGeneration() 方法,进行更新换代操作。在这个步骤中,做了三件事:
- 唤醒所有线程。
- 重置 count 。
- 重置 generation 。
代码如下:
private void nextGeneration() {
trip.signalAll();
count = parties;
generation = new Generation();
}
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reset
reset() 方法,重置 barrier 到初始化状态。代码如下:
public void reset() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
breakBarrier(); // break the current generation
nextGeneration(); // start a new generation
} finally {
lock.unlock();
}
}
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通过组合 #breakBarrier() 和 #nextGeneration() 方法来实现。
getNumberWaiting
getNumberWaiting() 方法,获得等待的线程数。代码如下:
public int getNumberWaiting() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return parties - count;
} finally {
lock.unlock();
}
}
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isBroken
isBroken() 方法,判断 CyclicBarrier 是否处于中断。代码如下:
public boolean isBroken() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return generation.broken;
} finally {
lock.unlock();
}
}
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应用场景
CyclicBarrier 适用于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();
}
}
}
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运行结果: