【死磕Java并发】—- J.U.C之并发工具类:CyclicBarrier
2018-03-21 00:00
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此篇博客所有源码均来自JDK 1.8CyclicBarrier,一个同步辅助类,在API中是这么介绍的:它允许一组线程互相等待,直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中,这些线程必须不时地互相等待,此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用,所以称它为循环 的 barrier。通俗点讲就是: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,屏障才会开门,所有被屏障拦截的线程才会继续干活。友情提示:欢迎关注公众号【芋道源码】。?关注后,拉你进【源码圈】微信群讨论技术和源码。
这里写图片描述通过上图我们可以看到CyclicBarrier的内部是使用重入锁ReentrantLock和Condition。它有两个构造函数:CyclicBarrier(int parties):创建一个新的 CyclicBarrier,它将在给定数量的参与者(线程)处于等待状态时启动,但它不会在启动 barrier 时执行预定义的操作。
CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) :创建一个新的 CyclicBarrier,它将在给定数量的参与者(线程)处于等待状态时启动,并在启动 barrier 时执行给定的屏障操作,该操作由最后一个进入 barrier 的线程执行。
parties表示拦截线程的数量。barrierAction 为CyclicBarrier接收的Runnable命令,用于在线程到达屏障时,优先执行barrierAction ,用于处理更加复杂的业务场景。
超出了指定时间(超时等待)
其他的某个线程中断当前线程
其他的某个线程中断另一个等待的线程
其他的某个线程在等待barrier超时
其他的某个线程在此barrier调用reset()方法。reset()方法用于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的更显换代。在CyclicBarrier中,同一批线程属于同一代。当有parties个线程到达barrier,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。
这里写图片描述
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实现分析
CyclicBarrier的结构如下:这里写图片描述通过上图我们可以看到CyclicBarrier的内部是使用重入锁ReentrantLock和Condition。它有两个构造函数:CyclicBarrier(int parties):创建一个新的 CyclicBarrier,它将在给定数量的参与者(线程)处于等待状态时启动,但它不会在启动 barrier 时执行预定义的操作。
CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) :创建一个新的 CyclicBarrier,它将在给定数量的参与者(线程)处于等待状态时启动,并在启动 barrier 时执行给定的屏障操作,该操作由最后一个进入 barrier 的线程执行。
parties表示拦截线程的数量。barrierAction 为CyclicBarrier接收的Runnable命令,用于在线程到达屏障时,优先执行barrierAction ,用于处理更加复杂的业务场景。
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) { if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.parties = parties; this.count = parties; this.barrierCommand = barrierAction; } public CyclicBarrier(int parties) { this(parties, null); }在CyclicBarrier中最重要的方法莫过于await()方法,在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前,将一直等待。如下:
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { try { return dowait(false, 0L);//不超时等待 } catch (TimeoutException toe) { throw new Error(toe); // cannot happen } }await()方法内部调用dowait(boolean timed, long nanos)方法:
private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException { //获取锁 final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { //分代 final Generation g = generation; //当前generation“已损坏”,抛出BrokenBarrierException异常 //抛出该异常一般都是某个线程在等待某个处于“断开”状态的CyclicBarrie if (g.broken) //当某个线程试图等待处于断开状态的 barrier 时,或者 barrier 进入断开状态而线程处于等待状态时,抛出该异常 throw new BrokenBarrierException(); //如果线程中断,终止CyclicBarrier if (Thread.interrupted()) { breakBarrier(); throw new InterruptedException(); } //进来一个线程 count - 1 int index = --count; //count == 0 表示所有线程均已到位,触发Runnable任务 if (index == 0) { // tripped boolean ranAction = false; try { final Runnable command = barrierCommand; //触发任务 if (command != null) command.run(); ranAction = true; //唤醒所有等待线程,并更新generation nextGeneration(); return 0; } finally { if (!ranAction) breakBarrier(); } } for (;;) { try { //如果不是超时等待,则调用Condition.await()方法等待 if (!timed) trip.await(); else if (nanos > 0L) //超时等待,调用Condition.awaitNanos()方法等待 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(); //generation已经更新,返回index if (g != generation) return index; //“超时等待”,并且时间已到,终止CyclicBarrier,并抛出异常 if (timed && nanos <= 0L) { breakBarrier(); throw new TimeoutException(); } } } finally { //释放锁 lock.unlock(); } }其实await()的处理逻辑还是比较简单的:如果该线程不是到达的最后一个线程,则他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
超出了指定时间(超时等待)
其他的某个线程中断当前线程
其他的某个线程中断另一个等待的线程
其他的某个线程在等待barrier超时
其他的某个线程在此barrier调用reset()方法。reset()方法用于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的更显换代。在CyclicBarrier中,同一批线程属于同一代。当有parties个线程到达barrier,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() { trip.signalAll(); count = parties; generation = new Generation(); }CyclicBarrier同时也提供了await(long timeout, TimeUnit unit) 方法来做超时控制,内部还是通过调用doawait()实现的。
应用场景
CyclicBarrier试用与多线程结果合并的操作,用于多线程计算数据,最后合并计算结果的应用场景。比如我们需要统计多个Excel中的数据,然后等到一个总结果。我们可以通过多线程处理每一个Excel,执行完成后得到相应的结果,最后通过barrierAction来计算这些线程的计算结果,得到所有Excel的总和。应用示例
比如我们开会只有等所有的人到齐了才会开会,如下:public class CyclicBarrierTest { private static CyclicBarrier cyclicBarrier; static class CyclicBarrierThread extends Thread{ public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到了"); //等待 try { cyclicBarrier.await(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } public static void main(String[] args){ cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("人到齐了,开会吧...."); } }); for(int i = 0 ; i < 5 ; i++){ new CyclicBarrierThread().start(); } } }运行结果:
这里写图片描述
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