并发工具类（二）同步屏障CyclicBarrier
前言
JDK中为了处理线程之间的同步问题，除了提供锁机制之外，还提供了几个非常有用的并发工具类：CountDownLatch、CyclicBarrier、Semphore、Exchanger、Phaser；
CountDownLatch、CyclicBarrier、Semphore、Phaser 这四个工具类提供一种并发流程的控制手段；而Exchanger工具类则提供了在线程之间交换数据的一种手段。
简介
CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）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。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，每个线程调用await方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。
构造方法摘要
| 方法名称 | 说明 |
|---|---|
| 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。 |
方法摘要
| 方法名称 | 说明 |
|---|---|
| public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException |
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。 返回：到达的当前线程的索引，其中，索引 getParties() - 1 指示将到达的第一个线程，零指示最后一个到达的线程. |
| public int await(long timeout,TimeUnit unit) throws InterruptedException,BrokenBarrierException, ITimeoutException |
在所有参与者都已经在此屏障上调用 await 方法之前将一直等待,或者超出了指定的等待时间。 |
| public void reset() | 将屏障重置为其初始状态。如果所有参与者目前都在屏障处等待，则它们将返回，同时抛出一个 BrokenBarrierException。注意，在由于其他原因造成损坏之后，实行重置可能会变得很复杂； |
| public boolean isBroken() | 查询此屏障是否处于损坏状态。 |
| public int getNumberWaiting() | 返回当前在屏障处等待的参与者数目。此方法主要用于调试和断言。 |
| public int getParties() | 返回要求启动此 barrier 的参与者数目。 |
注意：
- 对于失败的同步尝试，CyclicBarrier 使用了一种要么全部要么全不 (all-or-none) 的破坏模式：如果因为中断、失败或者超时等原因，导致线程过早地离开了屏障点，那么在该屏障点等待的其他所有线程也将通过 BrokenBarrierException（如果它们几乎同时被中断，则用 InterruptedException）以反常的方式离开。
- 内存一致性效果：线程中调用 await() 之前的操作 happen-before 那些是屏障操作的一部份的操作，后者依次 happen-before 紧跟在从另一个线程中对应 await() 成功返回的操作。
@ Example1 屏障操作的例子
public static void main(String[] args) {
//设置5个屏障，并且有屏障操作
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5,new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行了屏障操作");
}
});
for(int i=0;i<5;i++){
//创建5个线程
Thread thread = new Thread(new MyRunable(barrier),"thread_"+i);
thread.start();
}
}
class MyRunable implements Runnable{
CyclicBarrier barrier;
public MyRunable(CyclicBarrier barrier ){
this.barrier = barrier;
}
@Override
public void run() {
//一系列操作...
System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 到达了屏障点！");
try {
int index = barrier.await();
if(index== (barrier.getParties()-1)){
//第一个到达屏障点的线程，执行特殊操作....
System.out.println("所有线程到达屏障点，线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 被唤醒！！此线程是第一个到达屏障点");
}else if(index == 0){//最后一个到达屏障点的线程
System.out.println("所有线程到达屏障点，线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 被唤醒！！此线程是最后一个到达屏障点");
}else{
System.out.println("所有线程到达屏障点，线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 被唤醒！！");
}
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果：
线程 thread_1 到达了屏障点！
线程 thread_4 到达了屏障点！
线程 thread_3 到达了屏障点！
线程 thread_0 到达了屏障点！
线程 thread_2 到达了屏障点！
线程thread_3执行了屏障操作
所有线程到达屏障点，线程 thread_3 被唤醒！！此线程是最后一个到达屏障点
所有线程到达屏障点，线程 thread_0 被唤醒！！
所有线程到达屏障点，线程 thread_4 被唤醒！！
所有线程到达屏障点，线程 thread_1 被唤醒！！此线程是第一个到达屏障点
所有线程到达屏障点，线程 thread_2 被唤醒！！
上面的例子，使用了传入屏障操作的Runable参数的构造方法，屏障操作是由最后一个到达屏障点的线程执行的，这是不可以改变的。然而，在实际使用中，可能会出现由第n个到达屏障点的线程执行特殊的操作（或者说 屏障操作），那么就可以使用 CyclicBarrier.await（）进行判断，如上面的例子，第一个和最后一个到达屏障点的线程都执行特殊的操作。
顺便说一下，可能会对本例子中前5个输出的顺序 有所疑惑：thread_3 通过awiat（）方法返回的索引值，可知 thread_3 是最后一个到达屏障点的，但为什么输出的顺序却是第三个，而不是最后一个；在这就要真正理解CyclicBarrier，CyclicBarrier 本质上是一把锁，多个线程在使用CyclicBarrier 对象时，是需要先获取锁，即需要互斥访问，所以调用await( )方法不一定能够马上获取锁。上面的例子，是先打印输出，再去获取锁，所以输出顺序不是到达屏障点的顺序。
@ Example2 应用场景
下面的例子是：CyclicBarrier用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。比如我们用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个帐户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个sheet里的银行流水，都执行完之后，得到每个sheet的日均银行流水，最后，再用barrierAction用这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水。
public class BankWaterService implements Runnable {
//创建4个屏障，处理完后执行当前类的run方法
private CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(4,this);
//假设只有4个sheet，所以只启动4个线程
private Executor excutor = Executors.newFixedThreadPool(4);
//保存每个sheet计算出的结果
private ConcurrentHashMap< String, Integer> sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap<>();
private void count(){
for(int i=0;i<4;i++){
excutor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//计算过程.....
//存储计算结果
sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
try {
//计算完成，插入屏障
barrier.await();
//后续操作,将会使用到四个线程的运行结果....
System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"运行结束，最终的计算结果："+sheetBankWaterCount.get("result"));
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
@Override
public void run() {
int result = 0;
for(Entry<String, Integer> item : sheetBankWaterCount.entrySet()){
result += item.getValue();
}
sheetBankWaterCount.put("result", result);
}
public static void main(String[] args) {
BankWaterService bankWaterService = new BankWaterService();
bankWaterService.count();
}
}
运行结果：
线程pool-1-thread-4运行结束，最终的计算结果：4
线程pool-1-thread-2运行结束，最终的计算结果：4
线程pool-1-thread-1运行结束，最终的计算结果：4
线程pool-1-thread-3运行结束，最终的计算结果：4
CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
- CountDownLatch： 一个线程(或者多个线程)， 等待另外N个线程完成某个事情之后才能执行。而这N个线程通过调用CountDownLatch.countDown（）方法 来告知“某件事件”完成，即计数减一。而一个线程（或者多个线程）则通过CountDownLatch.awiat( ) 进入等待状态，直到 CountDownLatch的计数为0时，才会全部被唤醒
- CyclicBarrier : N个线程相互等待，任何一个线程完成某个事情之前，所有的线程都必须等待。
CountDownLatch 是计数器, 线程完成一个就记一个, 就像 报数一样, 只不过是递减的.
而CyclicBarrier更像一个水闸, 线程执行就想水流, 在水闸处都会堵住, 等到水满(线程到齐)了, 才开始泄流. - CountDownLatch只能使用一次，CyclicBarrier则可以通过reset( )方法重置后，重新使用。所以CyclicBarrier可以用于更复杂的业务场景。例如：计算错误，可以重置计数器，并让线程重新执行一次。
文献：
