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CyclicBarrier原理、实战和源码分析

分类: 文章 • 2023-04-05 12:22:04

一 原理

    CyclicBarrier（循环屏障），也即可以循环利用的屏障。内部基于ReentrantLock和Condition实现。

关于ReentrantLock和Condition。CyclicBarrier内部维护了整型变量count（拦截线程计数器），每次调用await方法，

count就会减1，如果count还有剩余，则线程调用Condition的await等待，如果count为0了，则打破屏障，

调用Condition的signalAll唤醒等待的线程执行。关于CyclicBarrier中的parties，Generation在源码中分析。

    CyclicBarrier原理可以简单理解为等待/通知模型，count不为0，线程等待，count为0，则唤醒等待线程执行。

    屏障用于控制一组线程等待就绪，然后打破屏障，线程继续执行。比如，学校操场运动会5条跑道，起跑线好比屏障，

5个运动员先后到达起跑线就绪后，鸣枪开跑。

二 实战

例如，操场5条跑道，起跑线相当于屏障，5个运动员先后就绪后，鸣枪，开跑！

AthleteThread

package com.lanhuigu.demo10.CyclicBarrier;

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

/**
 * 运动员跑步全部就绪-->鸣枪-->开跑！
 * @author yihonglei
 * @date 2018/9/30 19:27
 */
public class AthleteThread extends Thread{
    /**
     * 操场上有5条跑道，当运动员全部就绪-->鸣枪-->开跑！
     * 这里new Runnable作为barrierAction，也就是屏障打破条后触发的动作，比如运行员就绪后，鸣枪！
     */
    private static final CyclicBarrier playGround = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("鸣枪!!!!!!!!!!!!!!!!");
        }
    });

    // 运动员编号
    private Integer num;

    /**
     * 构造器
     * @param num 运动员编号
     */
    public AthleteThread(Integer num) {
        this.num = num;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("运动员序号：" + num + "就绪...................");
            playGround.await(); // 拦截线程
            System.out.println("运行员序号：" + num + "开跑>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

CyclicBarrierDemo

package com.lanhuigu.demo10.CyclicBarrier;

import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * CyclicBarrier实例演示
 * @author yihonglei
 * @date 2018/7/24 23:39
 */
public class CyclicBarrierDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(5);

        // 5个运动员参与运动
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            executor.execute(new AthleteThread(i));
        }
    }
}

运行结果

CyclicBarrier原理、实战和源码分析

程序分析

1）AthleteThread中通过CyclicBarrier构造器创建拦截数为5，以及打破屏障时执行什么线程的CyclicBarrier；

2）每一个线程在开跑前都要等待其它线程就绪，所有运行员就绪后，才打破屏障，开跑！

下面结合原理和实例通过源码分析CyclicBarrier的实现原理，看源码才是最佳的学习方式，

一切吹牛逼在源码面前都是纸老虎！

三 源码分析

1、构造器

CyclicBarrier原理、实战和源码分析

1）传入线程拦截数，调用2，创建CyclicBarrier；

2）基于parties，barrierAction创建CyclicBarrier；

CyclicBarrier原理、实战和源码分析

1）parties为CyclicBarrier拦截线程数量，变量被定义为final，表示不可以改变，主要用于CyclicBarrier重置时

创建CyclicBarrier对象；

2）barrierCommand为打破屏障时执行的线程，这个线程可选，并不是必须定义的；

3）count为线程拦截计数器，每一次await都会减少1，初始化时count数量等于parties大小；

2、await逻辑

await中包含线程等待、唤醒以及重置CyclicBarrier逻辑，await有能够指定超时等的重载方法，

这里只分析默认方法。

CyclicBarrier原理、实战和源码分析

具体实现在dowait中，dowait方法内容比较多，源码如下：

CyclicBarrier原理、实战和源码分析

CyclicBarrier原理、实战和源码分析

在进行源码分析前，需要先说明CyclicBarrier中的锁和Condition变量定义：

CyclicBarrier原理、实战和源码分析

ReentrantLock为重入锁，Condition用于实现一组线程的等待/唤醒机制，也就CyclicBarrier能实现等待/唤醒的底层实现。

1）每一个线程进入dowait的时候，需要上锁，避免并发；

2）这里有个Generation，下一代的意思，源码：

private static class Generation {
    boolean broken = false;
}

Generation维护了一个broken变量，表示是否打破屏障。

如果屏障已经打破或线程已经停止则都会抛出异常。

3）count减少1，如果index为0，表示已经达到拦截线程已经数已经用完。

4）如果barrierCommand不为空，则执行run方法。

5）重点在nextGeneration()里面，源码：

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

打破屏障的时候，会调trip.signalAll()唤醒所有等待的线程，count重置为parties，generation也重置。

相当于把CyclicBarrier的count重置，也就CyclicBarrier重置了，因为parties，barrierCommand都没有变。

6）这个一般情况下不会触发。

7）如果index不为0，程序会执行到for循环，默认timed为false，调用trip.await()线程会进入等待状态。

8）这个是显示指定超时时间，线程等待超时时间自动唤醒执行，在使用CyclicBarrier的非默认await

方法，指定超时时间时使用，看一眼CyclicBarrier的await重载方法就可以理解。

9）如果已经打破屏障，直接抛异常。

10）如果generation没有被重置，说明还没有打破，返回剩余线程拦截数。

11）如果调用的是超时的await，传入参数时间错误，屏障恢复，同时会抛超时异常，

并且唤醒其他等待线程。

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