Java高并发编程基础三大利器之CyclicBarrier

 

引言

前面一篇文章我们《Java高并发编程基础三大利器之CountDownLatch》它有一个缺点，就是它的计数器只能够使用一次，也就是说当计数器(state)减到为 0的时候，如果 再有线程调用去 await() 方法，该线程会直接通过，不会再起到等待其他线程执行结果起到同步的作用。为了解决这个问题CyclicBarrier就应运而生了。

什么是CyclicBarrier

CyclicBarrier是什么?把它拆开来翻译就是循环(Cycle)和屏障(Barrier)

它的主要作用其实和CountDownLanch差不多，都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，屏障会被打开，所有被屏障阻塞的线程才会继续执行，不过它是可以循环执行的，这是它与CountDownLanch最大的不同。CountDownLanch是只有当最后一个线程把计数器置为0的时候，其他阻塞的线程才会继续执行。学习CyclicBarrier之前建议先去看看这几篇文章：

《Java高并发编程基础之AQS》

《Java高并发编程基础三大利器之Semaphore》

《Java高并发编程基础三大利器之CountDownLatch》

如何使用

我们首先先来看下关于使用CyclicBarrier的一个demo：比如游戏中有个关卡的时候，每次进入下一关的时候都需要进行加载一些地图、特效背景音乐什么的只有全部加载完了才能够进行游戏:

/**demo 来源https://blog.csdn.net/lstcui/article/details/107389371 
 * 公众号【java金融】 
 */ 
public class CyclicBarrierExample { 
    static class PreTaskThread implements Runnable { 
        private String task; 
        private CyclicBarrier cyclicBarrier; 
 
        public PreTaskThread(String task, CyclicBarrier cyclicBarrier) { 
            this.task = task; 
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier; 
        } 
 
        @Override 
        public void run() { 
            for (int i = 0; i < 4; i++) { 
                Random random = new Random(); 
                try { 
                    Thread.sleep(random.nextInt(1000)); 
                    System.out.println(String.format("关卡 %d 的任务 %s 完成", i, task)); 
                    cyclicBarrier.await(); 
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } 
            } 
        } 
 
        public static void main(String[] args) { 
            CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3, () -> { 
                System.out.println("本关卡所有的前置任务完成，开始游戏... ..."); 
            }); 
            new Thread(new PreTaskThread("加载地图数据", cyclicBarrier)).start(); 
            new Thread(new PreTaskThread("加载人物模型", cyclicBarrier)).start(); 
            new Thread(new PreTaskThread("加载背景音乐", cyclicBarrier)).start(); 
        } 
    } 
} 

输出结果如下：

我们可以看到每次游戏开始都会等当前关卡把游戏的人物模型，地图数据、背景音乐加载完成后才会开始进行游戏。并且还是可以循环控制的。

源码分析

结构组成

/** 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; 
/* The command to run when tripped */ 
private final Runnable barrierCommand; 
/** The current generation */ 
private Generation generation = new Generation(); 

• lock:用于保护屏障入口的锁
• trip :达到屏障并且不能放行的线程在trip条件变量上等待
• parties :栅栏开启需要的到达线程总数
• barrierCommand：最后一个线程到达屏障后执行的回调任务
• generation：这是一个内部类，通过它实现CyclicBarrier重复利用，每当await达到最大次数的时候，就会重新new 一个，表示进入了下一个轮回。里面只有一个boolean型属性，用来表示当前轮回是否有线程中断。

主要方法

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { 
    try { 
        return dowait(false, 0L); 
    } catch (TimeoutException toe) { 
        throw new Error(toe); // cannot happen 
    } 
} 
 
 * Main barrier code, covering the various policies. 
 */ 
private int dowait(boolean timed, long nanos) 
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException, 
           TimeoutException { 
    final ReentrantLock lock = this.lock; 
    lock.lock(); 
     try { 
           //获取barrier当前的 “代”也就是当前循环 
         final Generation g = generation; 
        if (g.broken) 
            throw new BrokenBarrierException(); 
 
        if (Thread.interrupted()) { 
            breakBarrier(); 
            throw new InterruptedException(); 
        } 
        // 每来一个线程调用await方法都会进行减1 
        int index = --count; 
        if (index == 0) {  // tripped 
            boolean ranAction = false; 
            try { 
                final Runnable command = barrierCommand; 
                // new CyclicBarrier 传入 的barrierCommand, command.run()这个方法是同步的，如果耗时比较多的话,是否执行的时候需要考虑下是否异步来执行。 
                if (command != null) 
                    command.run(); 
                ranAction = true; 
                // 这个方法1. 唤醒所有阻塞的线程，2. 重置下count（count 每来一个线程都会进行减1）和generation，以便于下次循环。 
                nextGeneration(); 
                return 0; 
            } finally { 
                if (!ranAction) 
                    breakBarrier(); 
            } 
        } 
 
        // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out 
        for (;;) { 
            try { 
                 // 进入if条件，说明是不带超时的await 
                if (!timed) 
                     // 当前线程会释放掉lock，然后进入到trip条件队列的尾部，然后挂起自己，等待被唤醒。 
                    trip.await(); 
                else if (nanos > 0L) 
                     //说明当前线程调用await方法时 是指定了 超时时间的！ 
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos); 
            } catch (InterruptedException ie) { 
                 //Node节点在 条件队列内 时 收到中断信号时 会抛出中断异常！ 
                //g == generation 成立，说明当前代并没有变化。 
                //! g.broken 当前代如果没有被打破，那么当前线程就去打破，并且抛出异常.. 
                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. 
                //执行到else有几种情况？ 
                //1.代发生了变化，这个时候就不需要抛出中断异常了，因为 代已经更新了，这里唤醒后就走正常逻辑了..只不过设置下 中断标记。 
                //2.代没有发生变化，但是代被打破了，此时也不用返回中断异常，执行到下面的时候会抛出  brokenBarrier异常。也记录下中断标记位。 
                    Thread.currentThread().interrupt(); 
                } 
            } 
           //唤醒后，执行到这里，有几种情况？ 
          //1.正常情况，当前barrier开启了新的一代（trip.signalAll()） 
          //2.当前Generation被打破，此时也会唤醒所有在trip上挂起的线程 
          //3.当前线程trip中等待超时，然后主动转移到 阻塞队列 然后获取到锁 唤醒。 
            if (g.broken) 
                throw new BrokenBarrierException(); 
           //唤醒后，执行到这里，有几种情况？ 
        //1.正常情况，当前barrier开启了新的一代（trip.signalAll()） 
        //2.当前线程trip中等待超时，然后主动转移到 阻塞队列 然后获取到锁 唤醒。 
            if (g != generation) 
                return index; 
           //唤醒后，执行到这里，有几种情况？ 
        //.当前线程trip中等待超时，然后主动转移到 阻塞队列 然后获取到锁 唤醒。 
            if (timed && nanos <= 0L) { 
                breakBarrier(); 
                throw new TimeoutException(); 
            } 
        } 
    } finally { 
         lock.unlock(); 
    } 
} 

小结

到了这里我们是不是可以知道为啥CyclicBarrier可以进行循环计数?

• CyclicBarrier采用一个内部类Generation来维护当前循环，每一个await方法都会存储当前的generation，获取到相同generation对象的属于同一组，每当count的次数耗尽就会重新new一个Generation并且重新设置count的值为parties，表示进入下一次新的循环。

从这个await方法我们是不是可以知道只要有一个线程被中断了，当代的 generation的broken 就会被设置为true，所以会导致其他的线程也会被抛出BrokenBarrierException。相当于一个失败其他也必须失败，感觉有“强一致性“的味道。

总结

• CountDownLanch是为计数器是设置一个值，当多次执行countdown后，计数器减为0的时候所有线程被唤醒，然后CountDownLanch失效，只能够使用一次。
• CyclicBarrier是当count为0时同样唤醒全部线程，同时会重新设置count为parties，重新new一个generation来实现重复利用。

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