并发编程之循环屏障CyclicBarrier
文章目录
- 前言
- 什么是CyclicBarrier
- CyclicBarrier原理
- CyclicBarrier VS CountDownLatch
- CountDownLatch图示：
- CyclicBarrier图示：
- 两者的异同：
- CyclicBarrier核心源码
- 实战演示
- 1、创建测试demo
- 2、创建测试用例
- 3、查看测试结果
- 写在最后
前言
前面我们分享了线程等待其他线程执行同步类CountDownLatch，CountDownLatch是一个或多个线程等待其他线程执行完成才执行，比如主线程等待其他多个子线程执行完成再执行主线程逻辑。但是，在实际生产开发过程中有些场景需要多个线程相互等待，比如合并计算结果、比赛计时等等，这个时候我们就需要用到循环屏障Cyclicbarrier。
什么是CyclicBarrier
CyclicBarrier翻译为循环屏障，正如其名它是一个可以循环使用，可以让一组线程相互等待，线程只有全部到达屏障才能使屏障消失的一个同步辅助类。
CyclicBarrier原理
CyclicBarrier内部使用可重入ReentrantLock保证线程同步（并发编程之可重入锁ReentrantLock），使用Condition来保证线程阻塞隔离和唤醒，使用组parties来保存可重用副本个数，使用–count来计算还没有到达屏障的线程数目。在实际的运行过程中，CyclicBarrier会使用count值模拟一个屏障，count > 0则表示还有没有到达屏障的线程，此时当前线程需要加入阻塞；count == 0则表示所有线程都已经到达屏障点，此时会重置CyclicBarrier为下次重用做准备并唤醒所有阻塞线程。
CyclicBarrier VS CountDownLatch
CountDownLatch图示：
CyclicBarrier图示：
两者的异同：
1、CyclicBarrier 与 CountDownLatch 都是同步辅助类，都达到了线程同步的效果；
2、CyclicBarrier 是多个线程相互等待，CountDownLatch则是一个或多个等待其他线程；
3、CyclicBarrier 内部使用可重入锁ReentrantLock保证同步，CountDownLatch 基于抽象同步队列AQS，由于ReentrantLock 也是基于AQS实现，故两者的同步逻辑都差距不大。
CyclicBarrier核心源码
我们进入JUC CyclicBarrier 核心源码：
//重置cyclicbarrier
private void nextGeneration() {// signal completion of last generationtrip.signalAll();// set up next generationcount = parties;generation = new Generation();
}/*** 将当前屏障设置为已经打破并唤醒所有阻塞*/
private void breakBarrier() {generation.broken = true;count = parties;trip.signalAll();
}/*** 核心方法*/
private int dowait(boolean timed, long nanos)throws InterruptedException, BrokenBarrierException,TimeoutException {//可重入锁保证同步 final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {final Generation g = generation;//是否已经打破屏障验证if (g.broken)throw new BrokenBarrierException();//线程打断验证if (Thread.interrupted()) {//打破屏障breakBarrier();throw new InterruptedException();}int index = --count;if (index == 0) { // trippedboolean ranAction = false;try {final Runnable command = barrierCommand;if (command != null)command.run();ranAction = true;//重置屏障并唤醒所有阻塞线程nextGeneration();return 0;} finally {if (!ranAction)breakBarrier();}}// 线程自旋加入阻塞并增加超时逻辑for (;;) {try {if (!timed)trip.await();else if (nanos > 0L)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();}}if (g.broken)throw new BrokenBarrierException();if (g != generation)return index;if (timed && nanos <= 0L) {breakBarrier();throw new TimeoutException();}}} finally {lock.unlock();}
}
如上源码所示，我们对主要的步骤做了相对的注释。
CyclicBarrier的核心部分就是dowait()方法，我们外部调用的await()方法实际就是调用的这个方法。
dowait()方法内部使用可重入锁ReentrantLock保证线程同步，该方法的主要逻辑是：
1、首先会验证当前屏障是否已经打破，当前线程是否已经被打断，如果已经被打破或者打断则直接会释放所有阻塞线程；
2、然后会将计数器–count，如果count == 0 则表示所有线程到达屏障点，此时会先执行构造方法传入的线程，后调用nextGeneration()方法重置CyclicBarrier并唤醒所有阻塞线程；如果count > 0 则表示还有线程没有到达屏障，则当前线程自旋加入阻塞。
实战演示
之前参加过的一道面试机试题目：请模拟出赛马比赛中各个赛马到达终点的时间。
这个题目的场景其实就是要让每个赛马都准备好了发令开始计时，然后各个赛马根据自身的情况完成比赛给出结束时间。这里我们可以用CyclicBarrier 模拟赛马开跑的时候，然后我们随机让线程睡眠模拟赛马跑步时间，最后打印出各个赛马到达的时间即可。
1、创建测试demo
/*** CyclicBarrier模拟赛马比赛* @author senfel* @version 1.0* @date 2023/5/8 11:27*/
public class CyclicBarrierDemo {/*** 比赛方法* @author senfel* @date 2023/5/8 11:29* @return void*/public static void matchFun() throws Exception{//线程池模拟赛马池ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);//cyclicBarrier 屏障模拟发令CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);//时间格式化DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss");//模拟比赛结束CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);//模拟比赛，每场比赛5匹赛马for(int i=0;i<5;i++){executorService.execute(new Runnable() {@Overridepublic void run() {//赛马等待发令System.err.println("赛马："+Thread.currentThread().getName()+"等待发令");try {cyclicBarrier.await();LocalDateTime startTime = LocalDateTime.now();System.err.println("赛马："+Thread.currentThread().getName()+"开始起跑，起跑时间为："+ startTime.format(dateTimeFormatter));//线程随机睡眠模拟赛马赛跑时间int time = new Random().nextInt(20) * 1000;Thread.sleep(time);LocalDateTime endTime = LocalDateTime.now();Duration between = Duration.between(startTime, endTime);long millis = between.toMillis();System.err.println("赛马："+Thread.currentThread().getName()+"完成比赛，" +"起跑时间为："+startTime.format(dateTimeFormatter)+"," +"到达时间为："+endTime.format(dateTimeFormatter)+"," +"耗时："+millis+"毫秒。");countDownLatch.countDown();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}});}countDownLatch.await();System.err.println("比赛完成");executorService.shutdown();}
}
2、创建测试用例
@SpringBootTest
class DemoApplicationTests {
/*** 模拟赛马测试用例* @author senfel* @date 2023/5/8 13:42* @return void*/
public void matchTest() throws Exception{CyclicBarrierDemo.matchFun();
}
}
3、查看测试结果
赛马：pool-1-thread-2等待发令
赛马：pool-1-thread-1等待发令
赛马：pool-1-thread-3等待发令
赛马：pool-1-thread-5等待发令
赛马：pool-1-thread-4等待发令
赛马：pool-1-thread-3开始起跑，起跑时间为：12:33:51
赛马：pool-1-thread-1开始起跑，起跑时间为：12:33:51
赛马：pool-1-thread-2开始起跑，起跑时间为：12:33:51
赛马：pool-1-thread-4开始起跑，起跑时间为：12:33:51
赛马：pool-1-thread-5开始起跑，起跑时间为：12:33:51
赛马：pool-1-thread-2完成比赛，起跑时间为：12:33:51,到达时间为：12:33:55,耗时：4002毫秒。
赛马：pool-1-thread-1完成比赛，起跑时间为：12:33:51,到达时间为：12:33:57,耗时：6002毫秒。
赛马：pool-1-thread-3完成比赛，起跑时间为：12:33:51,到达时间为：12:33:58,耗时：7002毫秒。
赛马：pool-1-thread-4完成比赛，起跑时间为：12:33:51,到达时间为：12:34:03,耗时：12002毫秒。
赛马：pool-1-thread-5完成比赛，起跑时间为：12:33:51,到达时间为：12:34:10,耗时：19002毫秒。
比赛完成
写在最后
CyclicBarrier循环屏障是多线程并发编程中的常用同步类，我们可以用它来实现多个线程相互等待，并且可重用。其中的dowait()方式是核心方法，用可重入锁ReentrantLock保证了方法逻辑同步功能，使用Condition的await()、signalAll()方法来阻塞和唤醒线程。
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