Java多线程10 同步工具类CyclicBarrier

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CyclicBarrier是一个同步工具类,它允许一组线程互相等待,直到达到某个公共屏障点。与CountDownLatch不同的是该barrier在释放线程等待后可以重用,所以它称为循环(Cyclic)的屏障(Barrier)。
CyclicBarrier支持一个可选的Runnable命令,在一组线程中的最后一个线程到达之后(但在释放所有线程之前),该命令只在每个屏障点运行一次。若再继续所有的参与线程之前更新共享状态,此屏蔽操作很有用。

1 CyclicBarrier方法说明

CyclicBarrier提供的方法有:

CyclicBarrier(parties):初始化相互等待的线程数量的构造方法。

CyclicBarrier(parties,Runnable barrierAction):初始化相互等待的线程数量以及屏障线程的构造方法。
屏障线程的运行时机:
等待的线程数量=parties之后,CyclicBarrier打开屏障之前。
举例:在分组计算中,每个线程负责一部分计算,最终这些线程计算结束之后,交由屏障线程进行汇总计算。

int getParties():获取CyclicBarrier打开屏障的线程数量,也成为方数。

int getNumberWaiting():获取正在CyclicBarrier上等待的线程数量。

int await():在CyclicBarrier上进行阻塞等待,直到发生以下情形之一:

  • 在CyclicBarrier上等待的线程数量达到parties,则所有线程被释放,继续执行。
  • 当前线程被中断,则抛出InterruptedException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他等待的线程被中断,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他等待的线程超时,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他线程调用CyclicBarrier.reset()方法,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。

int await(timeout,TimeUnit):在CyclicBarrier上进行限时的阻塞等待,直到发生以下情形之一:

  • 在CyclicBarrier上等待的线程数量达到parties,则所有线程被释放,继续执行。
  • 当前线程被中断,则抛出InterruptedException异常,并停止等待,继续执行。
  • 当前线程等待超时,则抛出TimeoutException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他等待的线程被中断,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他等待的线程超时,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他线程调用CyclicBarrier.reset()方法,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。

boolean isBroken():获取是否破损标志位broken的值,此值有以下几种情况:

  • CyclicBarrier初始化时,broken=false,表示屏障未破损。
  • 如果正在等待的线程被中断,则broken=true,表示屏障破损。
  • 如果正在等待的线程超时,则broken=true,表示屏障破损。
  • 如果有线程调用CyclicBarrier.reset()方法,则broken=false,表示屏障回到未破损状态。

void reset():使得CyclicBarrier回归初始状态,直观来看它做了两件事:

  • 如果有正在等待的线程,则会抛出BrokenBarrierException异常,且这些线程停止等待,继续执行。
  • 将是否破损标志位broken置为false。

2 CyclicBarrier实例

假若有若干个线程都要进行写数据操作,并且只有所有线程都完成写数据操作之后,这些线程才能继续做后面的事情,此时就可以利用CyclicBarrier了:

 public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);
        for(int i=0;i<N;i++)
            new Writer(barrier).start();
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
 
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(5000);      //以睡眠来模拟写入数据操作
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有线程写入完毕,继续处理其他任务...");
        }
    }
线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-3写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-2写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-0写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...

从上面输出结果可以看出,每个写入线程执行完写数据操作之后,就在等待其他线程写入操作完毕。

当所有线程线程写入操作完毕之后,所有线程就继续进行后续的操作了。

如果想在所有线程写入操作完之后,进行额外的其他操作可以为CyclicBarrier提供Runnable参数:
public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N,new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName());
            }
        });

        for(int i=0;i<N;i++)
            new Writer(barrier).start();
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(3000);      //以睡眠来模拟写入数据操作
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("所有线程写入完毕,继续处理其他任务...");
        }
    }

}
线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-1写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-3写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-0写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-2写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
当前线程Thread-2
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
所有线程写入完毕,继续处理其他任务...

从结果可以看出,当四个线程都到达barrier状态后,会从四个线程中选择一个线程去执行Runnable。

await指定时间的效果:
public class CyclicBarrierTest {


    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N);

        for (int i = 0; i < N; i++) {
            if (i < N - 1)
                new Writer(barrier).start();
            else {
                try {
                    //运行时间远小于2000(cyclicBarrier.await 指定时间) 就不会抛出TimeoutException
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                new Writer(barrier).start();
            }
            
        }
    }

    static class Writer extends Thread {
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;

        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(3000);      //以睡眠来模拟写入数据操作
                System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");
                try {
                    cyclicBarrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
                } catch (TimeoutException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "所有线程写入完毕,继续处理其他任务...");
        }
    }
}
线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-0写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-2写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-1写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-3正在写入数据...
java.util.concurrent.TimeoutException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:257)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
    at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-0所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
    at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-1所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
    at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-2所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
线程Thread-3写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:207)
    at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
    at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-3所有线程写入完毕,继续处理其他任务...

上面的代码在main方法的for循环中,故意让最后一个线程启动延迟,因为在前面三个线程都达到barrier之后,等待了指定的时间发现第四个线程还没有达到barrier,就抛出异常并继续执行后面的任务。

另外CyclicBarrier是可以重用的,看下面这个例子:
public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {
        int N = 4;
        CyclicBarrier barrier  = new CyclicBarrier(N);

        for(int i=0;i<N;i++) {
            new Writer(barrier).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("CyclicBarrier重用");

        for(int i=0;i<N;i++) {
            new Writer(barrier).start();
        }
    }
    static class Writer extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在写入数据...");
            try {
                Thread.sleep(3000);      //以睡眠来模拟写入数据操作
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"写入数据完毕,等待其他线程写入完毕");

                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有线程写入完毕,继续处理其他任务...");
        }
    }
}
线程Thread-0正在写入数据...
线程Thread-3正在写入数据...
线程Thread-2正在写入数据...
线程Thread-1正在写入数据...
线程Thread-1写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-0写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-3写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-2写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
Thread-2所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-1所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-3所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-0所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
CyclicBarrier重用
线程Thread-4正在写入数据...
线程Thread-5正在写入数据...
线程Thread-6正在写入数据...
线程Thread-7正在写入数据...
线程Thread-5写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-4写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-7写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
线程Thread-6写入数据完毕,等待其他线程写入完毕
Thread-6所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-5所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-4所有线程写入完毕,继续处理其他任务...
Thread-7所有线程写入完毕,继续处理其他任务...

从执行结果可以看出,在初次的4个线程越过barrier状态后,又可以用来进行新一轮的使用。而CountDownLatch无法进行重复使用。

3 CyclicBarrier源码解析
先看一下CyclicBarrier中成员变量的组成:

    /** The lock for guarding barrier entry */
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    /** Condition to wait on until tripped */
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    /** The number of parties */
    private final int parties;//拦截的线程数量
    /* The command to run when tripped */
    private final Runnable barrierCommand; //当屏障撤销时,需要执行的屏障操作
    //当前的Generation。每当屏障失效或者开闸之后都会自动替换掉。从而实现重置的功能。
    private Generation generation = new Generation();

    /**
     * Number of parties still waiting. Counts down from parties to 0
     * on each generation.  It is reset to parties on each new
     * generation or when broken.
     */
    private int count;

可以看出,CyclicBarrier是由ReentrantLock和Condition来实现的。具体每个变量都有什么意义,我们在分析源码的时候具体说。
我们主要从CyclicBarrier的构造方法和它的await方法分析说起。

CyclicBarrier构造函数

CyclicBarrier有两个构造函数:

//带Runnable参数的函数
 public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;//有几个运动员要参赛
        this.count = parties;//目前还需要几个运动员准备好
        //你要在所有线程都继续执行下去之前要执行什么操作,可以为空
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }
//不带Runnable参数的函数
 public CyclicBarrier(int parties) {
     this(parties, null);
 }

其中,第二个构造函数调用的是第一个构造函数,这个 Runnable barrierAction 参数是什么呢?其实在上面的小示例中我们就用到了这个Runnable参数,它就是在所有线程都准备好之后,满足Barrier条件时,并且在所有线程继续执行之前,我们可以执行这个Runnable。但是值得注意的是,这不是新起了一个线程,而是通过最后一个准备好的(也就是最后一个到达Barrier的)线程承担启动的。这一点我们在上面示例中打印的运行结果中也可以看出来:Thread-2线程是最后一个准备好的,就是它执行的这个barrierAction。
这里parties和count不要混淆,parties是表示必须有几个线程要到达Barrier,而count是表示目前还有几个线程未到达Barrier。也就是说,只有当count参数为0时,Barrier条件即满足,所有线程可以继续执行。
count变量是怎么减少到0的呢?是通过Barrier执行的await方法。下面我们就看一下await方法。

await方法
    public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
        try {
            return dowait(false, 0L);
        } catch (TimeoutException toe) {
            throw new Error(toe); // cannot happen
        }
    }
await方法调用的dowait方法:
    private int dowait(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
               TimeoutException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();//获取ReentrantLock互斥锁
        try {
            final Generation g = generation;//获取generation对象

            if (g.broken)//如果generation损坏,抛出异常
                throw new BrokenBarrierException();

            if (Thread.interrupted()) {
                //如果当前线程被中断,则调用breakBarrier方法,停止CyclicBarrier,并唤醒所有线程
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }

            int index = --count;// 看到这里了吧,count减1 
            //index=0,也就是说,有0个线程未满足CyclicBarrier条件,也就是条件满足,
            //可以唤醒所有的线程了
            if (index == 0) {  // tripped
                boolean ranAction = false;
                try {
                   //这就是构造器的第二个参数,如果不为空的话,就执行这个Runnable的run方法,
                   //你看,这里是执行的是run方法,也就是说,并没有新起一个另外的线程,
                   //而是最后一个执行await操作的线程执行的这个run方法。
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    if (command != null)
                        command.run(); //同步执行barrierCommand
                    ranAction = true;
                    nextGeneration(); //执行成功设置下一个nextGeneration
                    return 0;
                } finally {
                    if (!ranAction) . //如果barrierCommand执行失败,进行屏障破坏处理
                        breakBarrier();
                }
            }
            //如果当前线程不是最后一个到达的线程
            // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
            for (;;) {
                try {
                    if (!timed)
                        trip.await(); //调用Condition的await()方法阻塞
                    else if (nanos > 0L)
                        nanos = trip.awaitNanos(nanos); //调用Condition的awaitNanos()方法阻塞
                } catch (InterruptedException ie) {
                //如果当前线程被中断,则判断是否有其他线程已经使屏障破坏。若没有则进行屏障破坏处理,并抛出异常;否则再次中断当前线程
                    if (g == generation && ! g.broken) {
                        breakBarrier();//执行breakBarrier,唤醒所有线程
                        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)//如果当前generation已经损坏,抛出异常
                    throw new BrokenBarrierException();

                if (g != generation)//如果generation已经更新换代,则返回index
                    return index;
                //如果是参数是超时等待,并且已经超时,则执行breakBarrier()方法
                //唤醒所有等待线程。
                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

简单来说,如果不发生异常,线程不被中断,那么dowait方法会调用Condition的await方法(具体Condition的原理请看前面的文章),直到所有线程都准备好,即都执行了dowait方法,(做count的减操作,直到count=0),即CyclicBarrier条件已满足,就会执行唤醒线程操作,也就是上面的nextGeneration()方法。可能大家会有疑惑,这个Generation是什么东西呢?其实这个Generation定义的很简单,就一个布尔值的成员变量:

private Generation generation = new Generation();

private static class Generation {
    boolean broken = false;
}

Generation 可以理解成“代”,我们要知道,CyclicBarrier是可以重复使用的,CyclicBarrier中的同一批线程属于同一“代”,当所有线程都满足了CyclicBarrier条件,执行唤醒操作nextGeneration()方法时,会新new 出一个Generation,代表一下“代”。

nextGeneration的源码
    private void nextGeneration() {
        // signal completion of last generation
        trip.signalAll();//调用Condition的signalAll方法,唤醒所有await的线程
        // set up next generation
        count = parties;//重置count值
        //生成新的Generation,表示上一代的所有线程已经唤醒,进行更新换代
        generation = new Generation(); 
    }
breakBarrier源码

再来看一下breakBarrier的代码,breakBarrier方法是在当前线程被中断时执行的,用来唤醒所有的等待线程:

    private void breakBarrier() {
        generation.broken = true;//表示当代因为线程被中断,已经发成损坏了
        count = parties;//重置count值
        trip.signalAll();//调用Condition的signalAll方法,唤醒所有await的线程
    }
isBroken方法
    public boolean isBroken() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            return generation.broken;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

判断此屏障是否处于中断状态。如果因为构造或最后一次重置而导致中断或超时,从而使一个或多个参与者摆脱此屏障点,或者因为异常而导致某个屏障操作失败,则返回true;否则返回false。

reset方法
    //将屏障重置为其初始状态。
    public void reset() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            //唤醒所有等待的线程继续执行,并设置屏障中断状态为true
            breakBarrier();   // break the current generation
            //唤醒所有等待的线程继续执行,并设置屏障中断状态为false
            nextGeneration(); // start a new generation
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
getNumberWaiting方法
    //返回当前在屏障处等待的参与者数目,此方法主要用于调试和断言。
    public int getNumberWaiting() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            return parties - count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

总结:
1.CyclicBarrier可以用于多线程计算数据,最后合并计算结果的应用场景。
2.这个等待的await方法,其实是使用ReentrantLock和Condition控制实现的。
3.CyclicBarrier可以重复使用。

特别感谢

CyclicBarrier的原理分析和使用
Java并发编程:CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore

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