Java并发编程之CyclicBarrier详解

简介

栅栏类似于闭锁，它能阻塞一组线程直到某个事件的发生。栅栏与闭锁的关键区别在于，所有的线程必须同时到达栅栏位置，才能继续执行。闭锁用于等待事件，而栅栏用于等待其他线程。

CyclicBarrier可以使一定数量的线程反复地在栅栏位置处汇集。当线程到达栅栏位置时将调用await方法，这个方法将阻塞直到所有线程都到达栅栏位置。如果所有线程都到达栅栏位置，那么栅栏将打开，此时所有的线程都将被释放，而栅栏将被重置以便下次使用。

CyclicBarrier源码解析

CyclicBarrier的类图如下：

通过类图我们可以看到，CyclicBarrier内部使用了ReentrantLock和Condition两个类。它有两个构造函数：

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;
}

CyclicBarrier默认的构造方法是CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程使用await()方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

CyclicBarrier的另一个构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。

await方法

调用await方法的线程告诉CyclicBarrier自己已经到达同步点，然后当前线程被阻塞。直到parties个参与线程调用了await方法，CyclicBarrier同样提供带超时时间的await和不带超时时间的await方法：

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {try {// 不超时等待return dowait(false, 0L);} catch (TimeoutException toe) {throw new Error(toe); // cannot happen}
}

public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException {return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}

这两个方法最终都会调用dowait(boolean, long)方法，它也是CyclicBarrier的核心方法，该方法定义如下：

private int dowait(boolean timed, long nanos)throws InterruptedException, BrokenBarrierException,TimeoutException {// 获取独占锁final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {// 当前代final Generation g = generation;// 如果这代损坏了，抛出异常if (g.broken)throw new BrokenBarrierException();// 如果线程中断了，抛出异常if (Thread.interrupted()) {// 将损坏状态设置为true// 并通知其他阻塞在此栅栏上的线程breakBarrier();throw new InterruptedException();}// 获取下标int index = --count;// 如果是 0，说明最后一个线程调用了该方法if (index == 0) {  // trippedboolean ranAction = false;try {final Runnable command = barrierCommand;// 执行栅栏任务if (command != null)command.run();ranAction = true;// 更新一代，将count重置，将generation重置// 唤醒之前等待的线程nextGeneration();return 0;} finally {// 如果执行栅栏任务的时候失败了，就将损坏状态设置为trueif (!ranAction)breakBarrier();}}// loop until tripped, broken, interrupted, or timed outfor (;;) {try {// 如果没有时间限制，则直接等待，直到被唤醒if (!timed)trip.await();// 如果有时间限制，则等待指定时间else if (nanos > 0L)nanos = trip.awaitNanos(nanos);} catch (InterruptedException ie) {// 当前代没有损坏if (g == generation && ! g.broken) {// 让栅栏失效breakBarrier();throw ie;} else {// 上面条件不满足，说明这个线程不是这代的// 就不会影响当前这代栅栏的执行，所以，就打个中断标记Thread.currentThread().interrupt();}}// 当有任何一个线程中断了，就会调用breakBarrier方法// 就会唤醒其他的线程，其他线程醒来后，也要抛出异常if (g.broken)throw new BrokenBarrierException();// g != generation表示正常换代了，返回当前线程所在栅栏的下标// 如果 g == generation，说明还没有换代，那为什么会醒了？// 因为一个线程可以使用多个栅栏，当别的栅栏唤醒了这个线程，就会走到这里，所以需要判断是否是当前代。// 正是因为这个原因，才需要generation来保证正确。if (g != generation)return index;// 如果有时间限制，且时间小于等于0，销毁栅栏并抛出异常if (timed && nanos <= 0L) {breakBarrier();throw new TimeoutException();}}} finally {// 释放独占锁lock.unlock();}
}

dowait(boolean, long)方法的主要逻辑处理比较简单，如果该线程不是最后一个调用await方法的线程，则它会一直处于等待状态，除非发生以下情况：

最后一个线程到达，即index == 0
某个参与线程等待超时
某个参与线程被中断
调用了CyclicBarrier的reset()方法。该方法会将屏障重置为初始状态

在上面的源代码中，我们可能需要注意Generation 对象，在上述代码中我们总是可以看到抛出BrokenBarrierException异常，那么什么时候抛出异常呢？如果一个线程处于等待状态时，如果其他线程调用reset()，或者调用的barrier原本就是被损坏的，则抛出BrokenBarrierException异常。同时，任何线程在等待时被中断了，则其他所有线程都将抛出BrokenBarrierException异常，并将barrier置于损坏状态。

同时，Generation描述着CyclicBarrier的更新换代。在CyclicBarrier中，同一批线程属于同一代。当有parties个线程到达barrier之后，generation就会被更新换代。其中broken标识该当前CyclicBarrier是否已经处于中断状态。

private static class Generation {boolean broken = false;
}

默认barrier是没有损坏的。当barrier损坏了或者有一个线程中断了，则通过breakBarrier()来终止所有的线程：

private void breakBarrier() {generation.broken = true;count = parties;trip.signalAll();
}

在breakBarrier()中除了将broken设置为true，还会调用signalAll将在CyclicBarrier处于等待状态的线程全部唤醒。

当所有线程都已经到达barrier处（index == 0），则会通过nextGeneration()进行更新换地操作，在这个步骤中，做了三件事：唤醒所有线程，重置count，generation：

private void nextGeneration() {// signal completion of last generationtrip.signalAll();// set up next generationcount = parties;generation = new Generation();
}

除了上面讲到的栅栏更新换代以及损坏状态，我们在使用CyclicBarrier时还要要注意以下几点：

CyclicBarrier使用独占锁来执行await方法，并发性可能不是很高
如果在等待过程中，线程被中断了，就抛出异常。但如果中断的线程所对应的CyclicBarrier不是这代的，比如，在最后一次线程执行signalAll后，并且更新了这个“代”对象。在这个区间，这个线程被中断了，那么，JDK认为任务已经完成了，就不必在乎中断了，只需要打个标记。该部分源码已在dowait(boolean, long)方法中进行了注释。
如果线程被其他的CyclicBarrier唤醒了，那么g肯定等于generation，这个事件就不能return了，而是继续循环阻塞。反之，如果是当前CyclicBarrier唤醒的，就返回线程在CyclicBarrier的下标。完成了一次冲过栅栏的过程。该部分源码已在dowait(boolean, long)方法中进行了注释。

应用程序示例

我们看一个CyclicBarrier的应用示例：

public class CyclicBarrierTest {// 自定义工作线程private static class Worker extends Thread {private CyclicBarrier cyclicBarrier;public Worker(CyclicBarrier cyclicBarrier) {this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;}@Overridepublic void run() {super.run();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始等待其他线程");cyclicBarrier.await();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行");// 工作线程开始处理，这里用Thread.sleep()来模拟业务处理Thread.sleep(1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}public static void main(String[] args) {int threadCount = 3;CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(threadCount);for (int i = 0; i < threadCount; i++) {System.out.println("创建工作线程" + i);Worker worker = new Worker(cyclicBarrier);worker.start();}}
}

运行结果（不唯一）：

创建工作线程0
创建工作线程1
Thread-0开始等待其他线程
创建工作线程2
Thread-1开始等待其他线程
Thread-2开始等待其他线程
Thread-2开始执行
Thread-0开始执行
Thread-1开始执行
Thread-1执行完毕
Thread-0执行完毕
Thread-2执行完毕

在上述代码中，我们自定义的工作线程必须要等所有参与线程开始之后才可以执行，我们可以使用CyclicBarrier类来帮助我们完成。从程序的执行结果中也可以看出，所有的工作线程都运行await()方法之后都到达了栅栏位置，然后，3个工作线程才开始执行业务处理。

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置，可以使用多次，所以CyclicBarrier能够处理更为复杂的场景；

CyclicBarrier还提供了一些其他有用的方法，比如getNumberWaiting()方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量，isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断；

CountDownLatch允许一个或多个线程等待一组事件的产生，而CyclicBarrier用于等待其他线程运行到栅栏位置。

参考资料

方腾飞：《Java并发编程的艺术》

Doug Lea：《Java并发编程实战》

【死磕Java并发】-----J.U.C之并发工具类：CyclicBarrier