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CyclicBarrier之多線程中的循環(huán)柵欄詳解

 更新時間:2025年05月16日 10:48:26   作者:safe_u  
這篇文章主要介紹了CyclicBarrier之多線程中的循環(huán)柵欄的使用方式,具有很好的參考價值,希望對大家有所幫助,如有錯誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

1. CyclicBarrier簡介

現(xiàn)實(shí)生活中我們經(jīng)常會遇到這樣的情景,在進(jìn)行某個活動前需要等待人全部都齊了才開始。例如吃飯時要等全家人都上座了才動筷子,旅游時要等全部人都到齊了才出發(fā),比賽時要等運(yùn)動員都上場后才開始。

在JUC包中為我們提供了一個同步工具類能夠很好的模擬這類場景,它就是CyclicBarrier類。利用CyclicBarrier類可以實(shí)現(xiàn)一組線程相互等待,當(dāng)所有線程都到達(dá)某個屏障點(diǎn)(柵欄)后再進(jìn)行后續(xù)的操作。下圖演示了這一過程:

CyclicBarrier可以使一定數(shù)量的線程反復(fù)地在柵欄(不同輪次或不同代)位置處匯集。

  • CyclicBarrier字面意思是“可重復(fù)使用的柵欄”,CyclicBarrier 和 CountDownLatch 很像,只是 CyclicBarrier 可以有不止一個柵欄,因?yàn)樗臇艡冢˙arrier)可以重復(fù)使用(Cyclic)。
  • 當(dāng)線程到達(dá)柵欄位置時將調(diào)用await()方法,這個方法將阻塞(當(dāng)前線程)直到所有線程都到達(dá)柵欄位置。如果所有線程都到達(dá)柵欄位置,那么柵欄將打開,此時所有的線程都將被釋放,而柵欄將被重置以便下次使用。

2.CyclicBarrier的使用

2.1 常用方法

//參數(shù)parties:表示要到達(dá)屏障 (柵欄)的線程數(shù)量
//參數(shù)Runnable: 最后一個線程到達(dá)屏障之后要做的任務(wù)
?
//構(gòu)造方法1
public CyclicBarrier(int parties) 
//構(gòu)造方法2
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
?
//線程調(diào)用await()方法表示當(dāng)前線程已經(jīng)到達(dá)柵欄,然后會被阻塞
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        return dowait(false, 0L);
    } catch (TimeoutException toe) {
        throw new Error(toe); // cannot happen
    }
}
?
//帶時限的阻塞等待
public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException {
    return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}

2.2 使用舉例

適用場景:可用于需要多個線程均到達(dá)某一步之后才能繼續(xù)往下執(zhí)行的場景

//循環(huán)柵欄-可多次循環(huán)使用
   CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5,()->{
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 完成最后任務(wù)!");
   });
?
   IntStream.range(1,6).forEach(i->{
        new Thread(()->{
            try {
                Thread.sleep(new Double(Math.random()*3000).longValue());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 到達(dá)柵欄A");
                
                cyclicBarrier.await();//屏障點(diǎn)A,當(dāng)前線程會阻塞至此,等待計(jì)數(shù)器=0
                
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 沖破柵欄A");
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    });

3.CyclicBarrier原理

CyclicBarrier是一道屏障,調(diào)用await()方法后,當(dāng)前線程進(jìn)入阻塞,當(dāng)parties數(shù)量的線程調(diào)用await方法后,所有的await方法會返回并繼續(xù)往下執(zhí)行。

3.1 成員變量

 /** CyclicBarrier使用的排他鎖*/
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    /** barrier被沖破前,線程等待的condition*/
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    /** barrier被沖破時,需要滿足的參與線程數(shù)。*/
    private final int parties;
    /* barrier被沖破后執(zhí)行的方法。*/
    private final Runnable barrierCommand;
    /** 當(dāng)其輪次 */
    private Generation generation = new Generation();
?
    /**
     *目前等待剩余的參與者數(shù)量。從 parties倒數(shù)到0。每個輪次該值會被重置回parties
     */
    private int count;

(1)CyclicBarrier內(nèi)部是通過條件隊(duì)列trip來對線程進(jìn)行阻塞的,并且其內(nèi)部維護(hù)了兩個int型的變量parties和count。

  • parties表示每次攔截的線程數(shù),該值在構(gòu)造時進(jìn)行賦值。
  • count是內(nèi)部計(jì)數(shù)器,它的初始值和parties相同,以后隨著每次await方法的調(diào)用而減1,直到減為0就將所有線程喚醒。

(2)CyclicBarrier有一個靜態(tài)內(nèi)部類Generation,該類的對象代表柵欄的當(dāng)前代,就像玩游戲時代表的本局游戲,利用它可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)等待

(3)barrierCommand表示換代前執(zhí)行的任務(wù),當(dāng)count減為0時表示本局游戲結(jié)束,需要轉(zhuǎn)到下一局。在轉(zhuǎn)到下一局游戲之前會將所有阻塞的線程喚醒,在喚醒所有線程之前你可以通過指定barrierCommand來執(zhí)行自己的任務(wù)。

3.2 構(gòu)造器

//構(gòu)造器1:指定本局要攔截的線程數(shù)parties 及 本局結(jié)束時要執(zhí)行的任務(wù)
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;
}
?
//構(gòu)造器2
public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}

3.3 等待的方法

CyclicBarrier類最主要的功能就是使先到達(dá)屏障點(diǎn)的線程阻塞并等待后面的線程,其中它提供了兩種等待的方法,分別是定時等待非定時等待。源代碼中await()方法最終調(diào)用的是dowait()方法:

private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException,TimeoutException {
    // 獲取獨(dú)占鎖
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();//對共享資源count,generation操作前,需先上鎖保證線程安全
    try {
        // 當(dāng)前代--當(dāng)前輪次對象的引用
        final Generation g = generation;
        // 如果這輪次broken了,拋出異常
        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();
        // 如果線程中斷了,拋出異常
        if (Thread.interrupted()) {
            breakBarrier();//如果被打斷,通過此方法設(shè)置當(dāng)前輪次為broken狀態(tài),通知當(dāng)前輪次所有等待的線程
            throw new InterruptedException();//拋出異常
        }
 
        //自旋前
        
        //1、count值-1
        int index = --count;
        // 2、判斷是否到0,若是,則沖破屏障點(diǎn)(說明最后一個線程已經(jīng)到達(dá))
        if (index == 0) {
            boolean ranAction = false;
            try {
                final Runnable command = barrierCommand;
                // 3、執(zhí)行柵欄任務(wù)(若CyclicBarrier構(gòu)造時傳入了Runnable,則調(diào)用)
                if (command != null)
                    command.run();
                ranAction = true;
                // 4、更新一輪次,將count重置,將generation重置,喚醒之前等待的線程
                nextGeneration();
                return 0;
            } finally {
                // 如果執(zhí)行柵欄任務(wù)(command)的時候出現(xiàn)了異常,那么就認(rèn)為本輪次破環(huán)了
                if (!ranAction)
                    breakBarrier();
            }
        }
 
        //計(jì)數(shù)器沒有到0 =》開始自旋,直到屏障被沖破,或者interrupted或者超時
        for (;;) {
            try {
                 // 開始等待;如果沒有時間限制,則直接等待,直到被喚醒(讓其他線程進(jìn)入到lock的代碼塊執(zhí)行以上邏輯)
                if (!timed)
                    trip.await();//阻塞,此時會釋放鎖,以讓其他線程進(jìn)入await方法中,等待屏障被沖破后,向后執(zhí)行
                // 如果有時間限制,則等待指定時間
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                // 如果當(dāng)前線程阻塞被interrupt了,并且本輪次還沒有被break,那么修改本輪次狀態(tài)為broken
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    // 讓柵欄失效
                    breakBarrier();
                    throw ie;
                } else {
                    // 上面條件不滿足,說明這個線程不是這輪次的,就不會影響當(dāng)前這代柵欄的執(zhí)行,所以,就打個中斷標(biāo)記
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
 
            // 當(dāng)有任何一個線程中斷了,就會調(diào)用breakBarrier方法,就會喚醒其他的線程,其他線程醒來后,也要拋出異常 
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();
 
            // g != generation表示正常換輪次了,返回當(dāng)前線程所在柵欄的下標(biāo)
            // 如果 g == generation,說明還沒有換,那為什么會醒了?
            // 因?yàn)橐粋€線程可以使用多個柵欄,當(dāng)別的柵欄喚醒了這個線程,就會走到這里,所以需要判斷是否是當(dāng)前代。
            // 正是因?yàn)檫@個原因,才需要generation來保證正確。
            if (g != generation)
                return index;
            
            // 如果有時間限制,且時間小于等于0,銷毀柵欄并拋出異常
            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }//自旋
        
    } finally {
        // 釋放獨(dú)占鎖
        lock.unlock();
    }
}

更新本輪次的方法:nextGeneration()

private void nextGeneration() {
    trip.signalAll();//喚醒本輪次等待的線程
    count = parties;//重置count值為初始值,為下一輪次(代)使用
    generation = new Generation();//更新本輪次對象,這樣自旋中的線程才會跳出自旋。
}
?
private static class Generation {
    boolean broken = false;
}
?
private void breakBarrier() {
    generation.broken = true;//設(shè)置標(biāo)識
    count = parties;//重置count值為初始值
    trip.signalAll();//喚醒所有等待線程
}

總結(jié)

以上為個人經(jīng)驗(yàn),希望能給大家一個參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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