源码分析：CyclicBarrier 之循环栅栏
简介
CyclicBarrier 是一个同步辅助工具，允许一组线程全部等待彼此达到共同屏障点，且等待的线程被释放后还可以重新使用，所以叫做Cyclic（循环的）。
应用场景
比如出去旅行时，导游需要等待所有的客人到齐后，导游才会给大家讲解注意事项等
官方示例
在JDK的源码注释中，提供了一个简单的示例demo，稍加修改后就可以运行
public class Solver {
AtomicInteger sum = new AtomicInteger(0);
// 自己新增的一个标识，true代表所有的计算完成了
volatile boolean done = false;
final int N;
final int[][] data;
final CyclicBarrier barrier;
class Worker implements Runnable {
int myRow;
Worker(int row) {
myRow = row;
}
@Override
public void run() {
while (!done()) {
int rowSum = Arrays.stream(data[myRow]).sum(); // 计算行的和
System.out.println("processRow(myRow):" + rowSum);
sum.addAndGet(rowSum);
try {
barrier.await();
} catch (InterruptedException ex) {
return;
} catch (BrokenBarrierException ex) {
return;
}
}
}
}
private boolean done(){
return done;
}
public Solver(int[][] matrix) throws InterruptedException{
data = matrix;
N = matrix.length;
Runnable barrierAction = () -> {
System.out.println("mergeRows(...):"+sum.get()); // 输出二维数组的总和
done = true;
};
barrier = new CyclicBarrier(N, barrierAction);
List<Thread> threads = new ArrayList<Thread>(N);
for (int i = 0; i < N; i++) {
Thread thread = new Thread(new Worker(i));
threads.add(thread);
thread.start();
}
// wait until done
for (Thread thread : threads){
thread.join();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
int[][] matrix = {{1,2,3},{4,5,6}};
Solver solver = new Solver(matrix);
}
}
源码分析
主要的属性
/** 防护栅栏入口的锁 */
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** 等待直到跳闸的条件 */
private final Condition trip = lock.newCondition();
/** 构造方法参数，在障碍被释放之前必须调用等待的线程数 */
private final int parties;
/* 越过栅栏时运行的命令 */
private final Runnable barrierCommand;
/** 当前的一代，控制CyclicBarrier的循环 */
private Generation generation = new Generation();
/** 记录仍在等待的参与方线程数量，初始值等于parties */
private int count;
主要内部类
/** 代：屏障的每次使用都表示为一个生成实例 */
private static class Generation {
boolean broken = false; // 标识当前的栅栏已破坏或唤醒，jinglingwang.cn
}
构造方法
一共有两个构造方法，第一个构造方法仅需要传入一个int值，表示调用等待的线程数；第二个构造方法多了一个runnable接口，当所有的线程越过栅栏时执行的命令，没有则为null；
public CyclicBarrier(int parties) {
this(parties, null);
}
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.parties = parties;
this.count = parties;
this.barrierCommand = barrierAction; // Runnable 命令线程
}
await() 方法
每个需要在栅栏处等待的线程都需要显式地调用这个方法。
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
// 调用await方法，0：不超时
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}
dowait() 方法
主要的障碍代码
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
// 当前锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 当前代
final Generation g = generation;
// 检查当前代的状态，是否要抛出BrokenBarrierException异常
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
// 当前线程被中断了
if (Thread.interrupted()) {
// 屏障被打破
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
// count减一
int index = --count;
// index等于0，说明最后一个线程到达了屏障处
if (index == 0) { // tripped
boolean ranAction = false; // 标识Runnable 命令线程是否有执行
try {
final Runnable command = barrierCommand; // 第二个构造方法的入参，需要运行的命令线程
if (command != null)
command.run(); // 执行命令线程。by:jinglingwang.cn
ranAction = true;
nextGeneration(); // 更新重置整个屏障
return 0;
} finally {
if (!ranAction)
// ranAction 没有被设置成true;被中断了
breakBarrier();
}
}
// 循环直到跳闸，断开，中断或超时
for (;;) {
try {
if (!timed) // 没有设超时时间，直接调用条件锁的await方法阻塞等待
trip.await();
else if (nanos > 0L) // 有超时时间
nanos = trip.awaitNanos(nanos); //调用条件锁的await方法阻塞等待一段时间
} catch (InterruptedException ie) { // 捕获中断异常
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier(); //被中断，当前代会被标识成已被破坏
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();
}
}
// 如果上面代码没有异常，理论上只有被唤醒后才会执行到下面的代码
// 再次检查当前代是否已经被破坏
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
// 正常来说，最后一个线程在执行上面的代码时，会调用nextGeneration，重新生成generation
// 所以线程被唤醒后，这里条件会成立
if (g != generation)
return index;
// 超时检查
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException(); //抛出超时异常
}
}
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
/** 重置屏障，回到初始状态，说明可以重复使用*/
private void nextGeneration() {
// signal completion of last generation
trip.signalAll();
// set up next generation
count = parties; // 重置等的参与方线程数量计数，回到最初的状态
generation = new Generation();
}
private void breakBarrier() {
// 标识当前的栅栏状态
generation.broken = true;
count = parties;
// 条件锁，唤醒所有等待的线程，jinglingwang.cn
trip.signalAll();
}
dowait() 方法过程总结：
参与方的多个线程执行逻辑代码后，分别调用
await方法线程分别拿到当前锁，最先获得锁的N-1个线程，调用条件锁
Condition的await方法，根据前面条件锁的源码分析我们知道，调用条件锁的await方法会释放当前锁，然后再调用Unsafa类底层park阻塞线程。当最后一个线程调用await方法时（也就是上面的 if (index == 0) 分支逻辑，count减为0，屏障打破），会执行命令线程（构造方法的第二个入参Runnable），然后调用
nextGeneration方法，唤醒所有的条件锁等待的N-1个线程（唤醒并不一定马上执行），然后重置计数与当前代，也就是一个新的屏障了，这也就是为什么可以重复使用的原因。最后一个线程释放锁，N-1线程中的线程陆续获得锁，释放锁，完成整个流程
CyclicBarrier 总结
支持两个构造参数：线程数和需要执行的命令线程
CyclicBarrier 是基于ReentrantLock和Condition来实现屏障逻辑的
先抢到锁的N-1个线程会调用条件锁的await方法从而被阻塞
最后一个获得锁的线程来唤醒之前的N-1个线程以及来调用命令线程的run方法
最后一个获得锁的线程会生成一个新的屏障（new Generation()），也就是可以重复使用的屏障
如果线程中有一个线程被中断，整个屏障被破坏后，所有线程都可能抛出BrokenBarrierException异常
CyclicBarrier 与CountDownLatch的区别
CyclicBarrier 是基于重入锁和条件锁来实现的
CountDownLatch 是基于AQS的同步功能来实现的
CyclicBarrier 不允许0个线程，会抛出异常
CountDownLatch 允许0个线程，虽然没什么*用
CyclicBarrier 阻塞的是N-1个线程，需要每个线程调用await，之后由最后一个线程来唤醒所有的等待线程，这也就是屏障的意思
CountDownLatch 是计数为N，阻塞的不一定是N个线程（可以是一个或多个），由线程显示调用countDown方法来减计数，计数为0时，唤醒阻塞的一个线程或多个线程
CyclicBarrier 最后一个线程会重置屏障的参数，生成一个新的Generation，可以重复使用，不需要重新new CyclicBarrier
CountDownLatch 没有重置计数的地方，计数为0后不可以重复使用，需要重新new CountDownLatch 才可以再次使用
精灵王
在那山的那边海的那边有一群蓝精灵, 他们忙着在coding~
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