死磕 java同步系列之CyclicBarrier源码解析——有图有真相

时间:2022-06-25
本文章向大家介绍死磕 java同步系列之CyclicBarrier源码解析——有图有真相,主要内容包括其使用实例、应用技巧、基本知识点总结和需要注意事项,具有一定的参考价值,需要的朋友可以参考一下。

问题

(1)CyclicBarrier是什么?

(2)CyclicBarrier具有什么特性?

(3)CyclicBarrier与CountDownLatch的对比?

简介

CyclicBarrier,回环栅栏,它会阻塞一组线程直到这些线程同时达到某个条件才继续执行。它与CountDownLatch很类似,但又不同,CountDownLatch需要调用countDown()方法触发事件,而CyclicBarrier不需要,它就像一个栅栏一样,当一组线程都到达了栅栏处才继续往下走。

使用方法

public class CyclicBarrierTest {    public static void main(String[] args) {        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);        for (int i = 0; i < 3; i++) {            new Thread(()->{                System.out.println("before");                try {                    cyclicBarrier.await();                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                } catch (BrokenBarrierException e) {                    e.printStackTrace();                }                System.out.println("after");            }).start();        }    }}    

这段方法很简单,使用一个CyclicBarrier使得三个线程保持同步,当三个线程同时到达 cyclicBarrier.await();处大家再一起往下运行。

源码分析

主要内部类

private static class Generation {    boolean broken = false;}

Generation,中文翻译为代,一代人的代,用于控制CyclicBarrier的循环使用。

比如,上面示例中的三个线程完成后进入下一代,继续等待三个线程达到栅栏处再一起执行,而CountDownLatch则做不到这一点,CountDownLatch是一次性的,无法重置其次数。

主要属性

// 重入锁private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 条件锁,名称为trip,绊倒的意思,可能是指线程来了先绊倒,等达到一定数量了再唤醒private final Condition trip = lock.newCondition();// 需要等待的线程数量private final int parties;// 当唤醒的时候执行的命令private final Runnable barrierCommand;// 代private Generation generation = new Generation();// 当前这一代还需要等待的线程数private int count;

通过属性可以看到,CyclicBarrier内部是通过重入锁的条件锁来实现的,那么你可以脑补一下这个场景吗?

彤哥来脑补一下:假如初始时 count=parties=3,当第一个线程到达栅栏处,count减1,然后把它加入到Condition的队列中,第二个线程到达栅栏处也是如此,第三个线程到达栅栏处,count减为0,调用Condition的signalAll()通知另外两个线程,然后把它们加入到AQS的队列中,等待当前线程运行完毕,调用lock.unlock()的时候依次从AQS的队列中唤醒一个线程继续运行,也就是说实际上三个线程先依次(排队)到达栅栏处,再依次往下运行。

以上纯属彤哥脑补的内容,真实情况是不是如此呢,且往后看。

构造方法

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();    // 初始化parties    this.parties = parties;    // 初始化count等于parties    this.count = parties;    // 初始化都到达栅栏处执行的命令    this.barrierCommand = barrierAction;}public CyclicBarrier(int parties) {    this(parties, null);}

构造方法需要传入一个parties变量,也就是需要等待的线程数。

await()方法

每个需要在栅栏处等待的线程都需要显式地调用await()方法等待其它线程的到来。

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {    try {        // 调用dowait方法,不需要超时        return dowait(false, 0L);    } catch (TimeoutException toe) {        throw new Error(toe); // cannot happen    }}private int dowait(boolean timed, long nanos)    throws InterruptedException, BrokenBarrierException,           TimeoutException {    final ReentrantLock lock = this.lock;    // 加锁    lock.lock();    try {        // 当前代        final Generation g = generation;        // 检查        if (g.broken)            throw new BrokenBarrierException();        // 中断检查        if (Thread.interrupted()) {            breakBarrier();            throw new InterruptedException();        }        // count的值减1        int index = --count;        // 如果数量减到0了,走这段逻辑(最后一个线程走这里)        if (index == 0) {  // tripped            boolean ranAction = false;            try {                // 如果初始化的时候传了命令,这里执行                final Runnable command = barrierCommand;                if (command != null)                    command.run();                ranAction = true;                // 调用下一代方法                nextGeneration();                return 0;            } finally {                if (!ranAction)                    breakBarrier();            }        }        // 这个循环只有非最后一个线程可以走到        for (;;) {            try {                if (!timed)                    // 调用condition的await()方法                    trip.await();                else if (nanos > 0L)                    // 超时等待方法                    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();                }            }            // 检查            if (g.broken)                throw new BrokenBarrierException();            // 正常来说这里肯定不相等            // 因为上面打破栅栏的时候调用nextGeneration()方法时generation的引用已经变化了            if (g != generation)                return index;            // 超时检查            if (timed && nanos <= 0L) {                breakBarrier();                throw new TimeoutException();            }        }    } finally {        lock.unlock();    }}private void nextGeneration() {    // 调用condition的signalAll()将其队列中的等待者全部转移到AQS的队列中    trip.signalAll();    // 重置count    count = parties;    // 进入下一代    generation = new Generation();}

dowait()方法里的整个逻辑分成两部分:

(1)最后一个线程走上面的逻辑,当count减为0的时候,打破栅栏,它调用nextGeneration()方法通知条件队列中的等待线程转移到AQS的队列中等待被唤醒,并进入下一代。

(2)非最后一个线程走下面的for循环逻辑,这些线程会阻塞在condition的await()方法处,它们会加入到条件队列中,等待被通知,当它们唤醒的时候已经更新换“代”了,这时候返回。

图解

学习过前面的章节,看这个图很简单了,看不懂的同学还需要把推荐的内容好好看看哦^^

总结

(1)CyclicBarrier会使一组线程阻塞在await()处,当最后一个线程到达时唤醒(只是从条件队列转移到AQS队列中)前面的线程大家再继续往下走;

(2)CyclicBarrier不是直接使用AQS实现的一个同步器;

(3)CyclicBarrier基于ReentrantLock及其Condition实现整个同步逻辑;

彩蛋

CyclicBarrier与CountDownLatch的异同?

(1)两者都能实现阻塞一组线程等待被唤醒;

(2)前者是最后一个线程到达时自动唤醒;

(3)后者是通过显式地调用countDown()实现的;

(4)前者是通过重入锁及其条件锁实现的,后者是直接基于AQS实现的;

(5)前者具有“代”的概念,可以重复使用,后者只能使用一次;

(6)前者只能实现多个线程到达栅栏处一起运行;

(7)后者不仅可以实现多个线程等待一个线程条件成立,还能实现一个线程等待多个线程条件成立(详见CountDownLatch那章使用案例);