前言：
CyclicBarrier是一個同步工具類，它允許一組線程互相等待，直到達到某個公共屏障點。與CountDownLatch不同的是該barrier在釋放線程等待后可以重用，所以它稱為循環(huán)（Cyclic）的屏障（Barrier）。
CyclicBarrier支持一個可選的Runnable命令，在一組線程中的最后一個線程到達之后（但在釋放所有線程之前），該命令只在每個屏障點運行一次。若再繼續(xù)所有的參與線程之前更新共享狀態(tài)，此屏蔽操作很有用。
1 CyclicBarrier方法說明
CyclicBarrier提供的方法有：
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CyclicBarrier(parties):初始化相互等待的線程數(shù)量的構(gòu)造方法。 -
CyclicBarrier(parties,Runnable barrierAction):初始化相互等待的線程數(shù)量以及屏障線程的構(gòu)造方法。
屏障線程的運行時機：
等待的線程數(shù)量=parties之后，CyclicBarrier打開屏障之前。
舉例：在分組計算中，每個線程負責一部分計算，最終這些線程計算結(jié)束之后，交由屏障線程進行匯總計算。
int getParties():獲取CyclicBarrier打開屏障的線程數(shù)量，也成為方數(shù)。
int getNumberWaiting():獲取正在CyclicBarrier上等待的線程數(shù)量。
int await():在CyclicBarrier上進行阻塞等待，直到發(fā)生以下情形之一：
-
在
CyclicBarrier上等待的線程數(shù)量達到parties，則所有線程被釋放，繼續(xù)執(zhí)行。 -
當前線程被中斷，則拋出
InterruptedException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。 -
其他等待的線程被中斷，則當前線程拋出
BrokenBarrierException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。 -
其他等待的線程超時，則當前線程拋出
BrokenBarrierException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。 -
其他線程調(diào)用CyclicBarrier.reset()方法，則當前線程拋出
BrokenBarrierException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。
int await(timeout,TimeUnit):在CyclicBarrier上進行限時的阻塞等待，直到發(fā)生以下情形之一：
-
在
CyclicBarrier上等待的線程數(shù)量達到parties，則所有線程被釋放，繼續(xù)執(zhí)行。 -
當前線程被中斷，則拋出
InterruptedException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。 -
當前線程等待超時，則拋出
TimeoutException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。 -
其他等待的線程被中斷，則當前線程拋出
BrokenBarrierException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。 -
其他等待的線程超時，則當前線程拋出
BrokenBarrierException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。 -
其他線程調(diào)用
CyclicBarrier.reset()方法，則當前線程拋出BrokenBarrierException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。
boolean isBroken():獲取是否破損標志位broken的值，此值有以下幾種情況：
-
CyclicBarrier初始化時，broken=false，表示屏障未破損。 -
如果正在等待的線程被中斷，則
broken=true，表示屏障破損。 -
如果正在等待的線程超時，則
broken=true，表示屏障破損。 -
如果有線程調(diào)用
CyclicBarrier.reset()方法，則broken=false，表示屏障回到未破損狀態(tài)。
void reset():使得CyclicBarrier回歸初始狀態(tài)，直觀來看它做了兩件事：
-
如果有正在等待的線程，則會拋出
BrokenBarrierException異常，且這些線程停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。 -
將是否破損標志位
broken置為false。
2 CyclicBarrier實例
假若有若干個線程都要進行寫數(shù)據(jù)操作，并且只有所有線程都完成寫數(shù)據(jù)操作之后，這些線程才能繼續(xù)做后面的事情，此時就可以利用CyclicBarrier了：
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public static void main(String[] args) { int N = 4; CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N); for(int i=0;i<N;i++) new Writer(barrier).start(); } static class Writer extends Thread{ private CyclicBarrier cyclicBarrier; public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) { this.cyclicBarrier = cyclicBarrier; } @Override public void run() { System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數(shù)據(jù)..."); try { Thread.sleep(5000); //以睡眠來模擬寫入數(shù)據(jù)操作 System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢"); cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }catch(BrokenBarrierException e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)..."); } } |
線程Thread-0正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-3正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-1正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-2正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-1寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-3寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-2寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-0寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
從上面輸出結(jié)果可以看出，每個寫入線程執(zhí)行完寫數(shù)據(jù)操作之后，就在等待其他線程寫入操作完畢。
當所有線程線程寫入操作完畢之后，所有線程就繼續(xù)進行后續(xù)的操作了。
如果想在所有線程寫入操作完之后，進行額外的其他操作可以為CyclicBarrier提供Runnable參數(shù)：
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public class CyclicBarrierTest { public static void main(String[] args) { int N = 4; CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N,new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("當前線程"+Thread.currentThread().getName()); } }); for(int i=0;i<N;i++) new Writer(barrier).start(); } static class Writer extends Thread{ private CyclicBarrier cyclicBarrier; public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) { this.cyclicBarrier = cyclicBarrier; } @Override public void run() { System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數(shù)據(jù)..."); try { Thread.sleep(3000); //以睡眠來模擬寫入數(shù)據(jù)操作 System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢"); cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }catch(BrokenBarrierException e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)..."); } }} |
線程Thread-0正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-3正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-2正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-1正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-1寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-3寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-0寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-2寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
當前線程Thread-2
所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
從結(jié)果可以看出，當四個線程都到達barrier狀態(tài)后，會從四個線程中選擇一個線程去執(zhí)行Runnable。
await指定時間的效果：
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public class CyclicBarrierTest { public static void main(String[] args) { int N = 4; CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N); for (int i = 0; i < N; i++) { if (i < N - 1) new Writer(barrier).start(); else { try { //運行時間遠小于2000(cyclicBarrier.await 指定時間) 就不會拋出TimeoutException Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } new Writer(barrier).start(); } } } static class Writer extends Thread { private CyclicBarrier cyclicBarrier; public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) { this.cyclicBarrier = cyclicBarrier; } @Override public void run() { System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "正在寫入數(shù)據(jù)..."); try { Thread.sleep(3000); //以睡眠來模擬寫入數(shù)據(jù)操作 System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢"); try { cyclicBarrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS); } catch (TimeoutException e) { e.printStackTrace(); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (BrokenBarrierException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)..."); } }} |
線程Thread-0正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-2正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-1正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-0寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-2寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-1寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-3正在寫入數(shù)據(jù)...
java.util.concurrent.TimeoutException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:257)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-0所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-1所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:250)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-2所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
線程Thread-3寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
java.util.concurrent.BrokenBarrierException
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.dowait(CyclicBarrier.java:207)
at java.util.concurrent.CyclicBarrier.await(CyclicBarrier.java:435)
at CyclicBarrierTest$Writer.run(CyclicBarrierTest.java:43)
Thread-3所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
上面的代碼在main方法的for循環(huán)中，故意讓最后一個線程啟動延遲，因為在前面三個線程都達到barrier之后，等待了指定的時間發(fā)現(xiàn)第四個線程還沒有達到barrier，就拋出異常并繼續(xù)執(zhí)行后面的任務(wù)。
另外CyclicBarrier是可以重用的，看下面這個例子：
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public class CyclicBarrierTest { public static void main(String[] args) { int N = 4; CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N); for(int i=0;i<N;i++) { new Writer(barrier).start(); } try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("CyclicBarrier重用"); for(int i=0;i<N;i++) { new Writer(barrier).start(); } } static class Writer extends Thread{ private CyclicBarrier cyclicBarrier; public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) { this.cyclicBarrier = cyclicBarrier; } @Override public void run() { System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"正在寫入數(shù)據(jù)..."); try { Thread.sleep(3000); //以睡眠來模擬寫入數(shù)據(jù)操作 System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢"); cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }catch(BrokenBarrierException e){ e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)..."); } }} |
線程Thread-0正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-3正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-2正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-1正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-1寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-0寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-3寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-2寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
Thread-2所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
Thread-1所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
Thread-3所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
Thread-0所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
CyclicBarrier重用
線程Thread-4正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-5正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-6正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-7正在寫入數(shù)據(jù)...
線程Thread-5寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-4寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-7寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
線程Thread-6寫入數(shù)據(jù)完畢，等待其他線程寫入完畢
Thread-6所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
Thread-5所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
Thread-4所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
Thread-7所有線程寫入完畢，繼續(xù)處理其他任務(wù)...
從執(zhí)行結(jié)果可以看出，在初次的4個線程越過barrier狀態(tài)后，又可以用來進行新一輪的使用。而CountDownLatch無法進行重復(fù)使用。
3 CyclicBarrier源碼解析
先看一下CyclicBarrier中成員變量的組成：
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/** 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;//攔截的線程數(shù)量/* The command to run when tripped */private final Runnable barrierCommand; //當屏障撤銷時，需要執(zhí)行的屏障操作//當前的Generation。每當屏障失效或者開閘之后都會自動替換掉。從而實現(xiàn)重置的功能。private Generation generation = new Generation();/** * Number of parties still waiting. Counts down from parties to 0 * on each generation. It is reset to parties on each new * generation or when broken. */private int count; |
可以看出，CyclicBarrier是由ReentrantLock和Condition來實現(xiàn)的。具體每個變量都有什么意義，我們在分析源碼的時候具體說。
我們主要從CyclicBarrier的構(gòu)造方法和它的await方法分析說起。
CyclicBarrier構(gòu)造函數(shù)
CyclicBarrier有兩個構(gòu)造函數(shù)：
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//帶Runnable參數(shù)的函數(shù) public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) { if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.parties = parties;//有幾個運動員要參賽 this.count = parties;//目前還需要幾個運動員準備好 //你要在所有線程都繼續(xù)執(zhí)行下去之前要執(zhí)行什么操作，可以為空 this.barrierCommand = barrierAction; }//不帶Runnable參數(shù)的函數(shù) public CyclicBarrier(int parties) { this(parties, null); } |
其中，第二個構(gòu)造函數(shù)調(diào)用的是第一個構(gòu)造函數(shù)，這個 Runnable barrierAction 參數(shù)是什么呢？其實在上面的小示例中我們就用到了這個Runnable參數(shù)，它就是在所有線程都準備好之后，滿足Barrier條件時，并且在所有線程繼續(xù)執(zhí)行之前，我們可以執(zhí)行這個Runnable。但是值得注意的是，這不是新起了一個線程，而是通過最后一個準備好的（也就是最后一個到達Barrier的）線程承擔啟動的。這一點我們在上面示例中打印的運行結(jié)果中也可以看出來：Thread-2線程是最后一個準備好的，就是它執(zhí)行的這個barrierAction。
這里parties和count不要混淆，parties是表示必須有幾個線程要到達Barrier，而count是表示目前還有幾個線程未到達Barrier。也就是說，只有當count參數(shù)為0時，Barrier條件即滿足，所有線程可以繼續(xù)執(zhí)行。
count變量是怎么減少到0的呢？是通過Barrier執(zhí)行的await方法。下面我們就看一下await方法。
await方法
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public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { try { return dowait(false, 0L); } catch (TimeoutException toe) { throw new Error(toe); // cannot happen } |
await方法調(diào)用的dowait方法：
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private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock();//獲取ReentrantLock互斥鎖 try { final Generation g = generation;//獲取generation對象 if (g.broken)//如果generation損壞，拋出異常 throw new BrokenBarrierException(); if (Thread.interrupted()) { //如果當前線程被中斷，則調(diào)用breakBarrier方法，停止CyclicBarrier，并喚醒所有線程 breakBarrier(); throw new InterruptedException(); } int index = --count;// 看到這里了吧，count減1 //index=0，也就是說，有0個線程未滿足CyclicBarrier條件，也就是條件滿足， //可以喚醒所有的線程了 if (index == 0) { // tripped boolean ranAction = false; try { //這就是構(gòu)造器的第二個參數(shù)，如果不為空的話，就執(zhí)行這個Runnable的run方法， //你看，這里是執(zhí)行的是run方法，也就是說，并沒有新起一個另外的線程， //而是最后一個執(zhí)行await操作的線程執(zhí)行的這個run方法。 final Runnable command = barrierCommand; if (command != null) command.run(); //同步執(zhí)行barrierCommand ranAction = true; nextGeneration(); //執(zhí)行成功設(shè)置下一個nextGeneration return 0; } finally { if (!ranAction) . //如果barrierCommand執(zhí)行失敗，進行屏障破壞處理 breakBarrier(); } } //如果當前線程不是最后一個到達的線程 // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out for (;;) { try { if (!timed) trip.await(); //調(diào)用Condition的await()方法阻塞 else if (nanos > 0L) nanos = trip.awaitNanos(nanos); //調(diào)用Condition的awaitNanos()方法阻塞 } catch (InterruptedException ie) { //如果當前線程被中斷，則判斷是否有其他線程已經(jīng)使屏障破壞。若沒有則進行屏障破壞處理，并拋出異常；否則再次中斷當前線程 if (g == generation && ! g.broken) { breakBarrier();//執(zhí)行breakBarrier，喚醒所有線程 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)//如果當前generation已經(jīng)損壞，拋出異常 throw new BrokenBarrierException(); if (g != generation)//如果generation已經(jīng)更新?lián)Q代，則返回index return index; //如果是參數(shù)是超時等待，并且已經(jīng)超時，則執(zhí)行breakBarrier()方法 //喚醒所有等待線程。 if (timed && nanos <= 0L) { breakBarrier(); throw new TimeoutException(); } } } finally { lock.unlock(); } } |
簡單來說，如果不發(fā)生異常，線程不被中斷，那么dowait方法會調(diào)用Condition的await方法（具體Condition的原理請看前面的文章），直到所有線程都準備好，即都執(zhí)行了dowait方法，（做count的減操作，直到count=0），即CyclicBarrier條件已滿足，就會執(zhí)行喚醒線程操作，也就是上面的nextGeneration（）方法。可能大家會有疑惑，這個Generation是什么東西呢？其實這個Generation定義的很簡單，就一個布爾值的成員變量：
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private Generation generation = new Generation();private static class Generation { boolean broken = false;} |
Generation 可以理解成“代”，我們要知道，CyclicBarrier是可以重復(fù)使用的，CyclicBarrier中的同一批線程屬于同一“代”，當所有線程都滿足了CyclicBarrier條件，執(zhí)行喚醒操作nextGeneration（）方法時，會新new 出一個Generation，代表一下“代”。
nextGeneration的源碼
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private void nextGeneration() { // signal completion of last generation trip.signalAll();//調(diào)用Condition的signalAll方法，喚醒所有await的線程 // set up next generation count = parties;//重置count值 //生成新的Generation，表示上一代的所有線程已經(jīng)喚醒，進行更新?lián)Q代 generation = new Generation(); } |
breakBarrier源碼
再來看一下breakBarrier的代碼，breakBarrier方法是在當前線程被中斷時執(zhí)行的，用來喚醒所有的等待線程：
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private void breakBarrier() { generation.broken = true;//表示當代因為線程被中斷，已經(jīng)發(fā)成損壞了 count = parties;//重置count值 trip.signalAll();//調(diào)用Condition的signalAll方法，喚醒所有await的線程} |
isBroken方法
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public boolean isBroken() { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { return generation.broken; } finally { lock.unlock(); }} |
判斷此屏障是否處于中斷狀態(tài)。如果因為構(gòu)造或最后一次重置而導(dǎo)致中斷或超時，從而使一個或多個參與者擺脫此屏障點，或者因為異常而導(dǎo)致某個屏障操作失敗，則返回true；否則返回false。
reset方法
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//將屏障重置為其初始狀態(tài)。public void reset() { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { //喚醒所有等待的線程繼續(xù)執(zhí)行，并設(shè)置屏障中斷狀態(tài)為true breakBarrier(); // break the current generation //喚醒所有等待的線程繼續(xù)執(zhí)行，并設(shè)置屏障中斷狀態(tài)為false nextGeneration(); // start a new generation } finally { lock.unlock(); }} |
getNumberWaiting方法
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//返回當前在屏障處等待的參與者數(shù)目，此方法主要用于調(diào)試和斷言。public int getNumberWaiting() { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { return parties - count; } finally { lock.unlock(); }} |
總結(jié)：
1.CyclicBarrier可以用于多線程計算數(shù)據(jù)，最后合并計算結(jié)果的應(yīng)用場景。
2.這個等待的await方法，其實是使用ReentrantLock和Condition控制實現(xiàn)的。
3.CyclicBarrier可以重復(fù)使用。
到此這篇關(guān)于Java多線程之同步工具類CyclicBarrier的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java多線程 CyclicBarrier內(nèi)容請搜索服務(wù)器之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持服務(wù)器之家！
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