Java同步器之辅助类CyclicBarrier
一、概述
CyclicBarrier基于ReentrantLock和Condition等待唤醒的功能实现的，在构建CyclicBarrier时，会将count-1，操作count值是直接使用ReentrantLock来保证线程安全性，如果count不为0时，则添加condition队列中，如果等于0时，把节点从condition队列添加至AQS的队列中进行全部唤醒，并且将parties的值重新赋值为count的值来实现复用。
二、使用案例
CyclicBarrier可以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 CyclicBarrierExample {
// 请求的数量
private static final int threadCount = 550;
// 需要同步的线程数量
private static final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
threadPool.execute(() -> {
try {
test(threadNum);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
public static void test(int threadnum) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
System.out.println("threadnum:" + threadnum + "is ready");
try {
/**等待60秒，保证子线程完全执行结束*/
cyclicBarrier.await(60, TimeUnit.SECONDS);
} catch (Exception e) {
System.out.println("-----CyclicBarrierException------");
}
System.out.println("threadnum:" + threadnum + "is finish");
}
}
运行结果，如下：
threadnum:0is ready
threadnum:1is ready
threadnum:2is ready
threadnum:3is ready
threadnum:4is ready
threadnum:4is finish
threadnum:0is finish
threadnum:1is finish
threadnum:2is finish
threadnum:3is finish
threadnum:5is ready
threadnum:6is ready
threadnum:7is ready
threadnum:8is ready
threadnum:9is ready
threadnum:9is finish
threadnum:5is finish
threadnum:8is finish
threadnum:7is finish
threadnum:6is finish
......
可以看到当线程数量也就是请求数量达到我们定义的5个的时候，await()方法之后的方法才被执行。
另外，CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。示例代码如下：
/**
*
* 新建CyclicBarrier的时候指定一个Runnable
*/
public class CyclicBarrierExample3 {
// 请求的数量
private static final int threadCount = 550;
// 需要同步的线程数量
private static final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
System.out.println("------当线程数达到之后，优先执行------");
});
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
final int threadNum = i;
Thread.sleep(1000);
threadPool.execute(() -> {
try {
test(threadNum);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
public static void test(int threadnum) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
System.out.println("threadnum:" + threadnum + "is ready");
cyclicBarrier.await();
System.out.println("threadnum:" + threadnum + "is finish");
}
}
运行结果，如下：
threadnum:0is ready
threadnum:1is ready
threadnum:2is ready
threadnum:3is ready
threadnum:4is ready
------当线程数达到之后，优先执行------
threadnum:4is finish
threadnum:0is finish
threadnum:2is finish
threadnum:1is finish
threadnum:3is finish
threadnum:5is ready
threadnum:6is ready
threadnum:7is ready
threadnum:8is ready
threadnum:9is ready
------当线程数达到之后，优先执行------
threadnum:9is finish
threadnum:5is finish
threadnum:6is finish
threadnum:8is finish
threadnum:7is finish
......
三、源码分析
3.1 构造函数
CyclicBarrier内部使用了ReentrantLock和Condition两个类。它有两个构造函数：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.parties = parties;//parties 指示计数器的初始值
this.count = parties;
this.barrierCommand = barrierAction;//所以线程到达屏障后会执行一次
}
public CyclicBarrier(int parties) {
this(parties, null);
}
CyclicBarrier有两个构造器，其中构造器1是它的核心构造器，在这里你可以指定本局游戏的参与者数量(要拦截的线程数)以及本局结束时要执行的任务，还可以看到计数器count的初始值被设置为parties。
3.2 await方法
CyclicBarrier类最主要的功能就是使先到达屏障点的线程阻塞并等待后面的线程，其中它提供了两种等待的方法，分别是定时等待和非定时等待。
//非定时等待
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe);
}
}
//定时等待
public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException,
BrokenBarrierException, TimeoutException {
return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}
可以看到不管是定时等待还是非定时等待，它们都调用了dowait方法，只不过是传入的参数不同而已。下面我们就来看看dowait方法都做了些什么。
//核心等待方法
private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException,
BrokenBarrierException, TimeoutException {
//显示锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
//表示当前代
final Generation g = generation;
//检查当前栅栏是否被打破
if (g.broken) {
throw new BrokenBarrierException();
}
//检查当前线程是否被中断
if (Thread.interrupted()) {
//如果当前线程被中断会做以下三件事
//1.打破当前栅栏
//2.唤醒拦截的所有线程
//3.抛出中断异常
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
//每次都将计数器的值减1
int index = --count;
//计数器的值减为0则需唤醒所有线程并转换到下一代
if (index == 0) {
boolean ranAction = false;
try {
//唤醒所有线程前先执行指定的任务
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null) {
command.run();
}
ranAction = true;
//唤醒所有线程并转到下一代
nextGeneration();
return 0;
} finally {
//确保在任务未成功执行时能将所有线程唤醒
if (!ranAction) {
breakBarrier();
}
}
}
//如果计数器不为0则执行此循环
for (;;) {
try {
//根据传入的参数来决定是定时等待还是非定时等待
if (!timed) {
trip.await();
}else if (nanos > 0L) {
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
}
} catch (InterruptedException ie) {
//若当前线程在等待期间被中断则打破栅栏唤醒其他线程
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier();
throw ie;
} else {
//若在捕获中断异常前已经完成在栅栏上的等待, 则直接调用中断操作
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
//如果线程因为打破栅栏操作而被唤醒则抛出异常
if (g.broken) {
throw new BrokenBarrierException();
}
//如果线程因为换代操作而被唤醒则返回计数器的值
if (g != generation) {
return index;
}
//如果线程因为时间到了而被唤醒则打破栅栏并抛出异常
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
上面贴出的代码中注释可以看到在dowait方法中每次都将count减1，减完后立马进行判断看看是否等于0，如果等于0的话就会先去执行之前指定好的任务，执行完之后再调用nextGeneration方法将栅栏转到下一代，在该方法中会将所有线程唤醒，将计数器的值重新设为parties，最后会重新设置栅栏代次，在执行完nextGeneration方法之后就意味着游戏进入下一局。
如果计数器此时还不等于0的话就进入for循环，根据参数来决定是调用trip.awaitNanos(nanos)还是trip.await()方法，这两方法对应着定时和非定时等待。
如果在等待过程中当前线程被中断就会执行breakBarrier方法，该方法叫做打破栅栏，意味着游戏在中途被掐断，设置generation的broken状态为true并唤醒所有线程。
同时这也说明在等待过程中有一个线程被中断整盘游戏就结束，所有之前被阻塞的线程都会被唤醒。
线程醒来后会执行下面三个判断，看看是否因为调用breakBarrier方法而被唤醒，如果是则抛出异常；看看是否是正常的换代操作而被唤醒，如果是则返回计数器的值；看看是否因为超时而被唤醒，如果是的话就调用breakBarrier打破栅栏并抛出异常。
这里还需要注意的是，如果其中有一个线程因为等待超时而退出，那么整盘游戏也会结束，其他线程都会被唤醒。
3.3 nextGeneration和breakBarrier
下面贴出nextGeneration方法和breakBarrier方法的具体代码。
//切换栅栏到下一代
private void nextGeneration() {
//唤醒条件队列所有线程
trip.signalAll();
//设置计数器的值为需要拦截的线程数
count = parties;
//重新设置栅栏代次
generation = new Generation();
}
//打破当前栅栏
private void breakBarrier() {
//将当前栅栏状态设置为打破
generation.broken = true;
//设置计数器的值为需要拦截的线程数
count = parties;
//唤醒所有线程
trip.signalAll();
}
3.4 reset方法
重置栅栏
public void reset() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
breakBarrier(); // break the current generation
nextGeneration(); // start a new generation
} finally {
lock.unlock();
}
}
我们设想一下，如果初始化时，指定了线程parties = 4，前面有3个线程调用了await等待，在第4个线程调用await之前，我们调用reset方法，那么会发生什么？
首先，打破栅栏，那意味着所有等待的线程（3个等待的线程）会唤醒，await方法会通过抛出BrokenBarrierException异常返回。然后开启新的一代，重置了count和generation，相当于一切归零了。
四、总结
当我们创建回环屏障对象时，传入的计数器值M,前M-1个线程调用await方法时，获得独占锁，串行话执行dowait方法，都将count递减1，并且将M-1个线程加入到trip的条件队列中去。当最后一个线程执行到await方法时，最终将count置为了0，同时唤醒trip条件队列中所有被阻塞的线程，使得所有的M个线程继续往下执行。
五、拓展
5.1 CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
CountDownLatch基于AQS实现，countDown()方法利用cas将state-1，await方法让头节点一直在等待state为0时，释放所有等待的线程。
CyclicBarrier基于ReentrantLock和Condition，自身维护count和parties变量，每次调用await将count-1，并将线程加入到condition队列中，等到count为0时，将condition队列的节点移交到AQS队列中，并全部释放。
CountDownLatch允许一个或多个线程一直等待，直到这些线程完成它们的操作，而CyclicBarrier则是当线程到达某状态后，暂停下来等待其他线程，等到所有线程均到达后，才继续执行。
两者等待主体不同，CountDownLatch调用await()通常是主线程调用线程，而CyclicBarrier调用await()是在任务线程调用的，所以CyclicBarrier中的阻塞的是任务线程，主线程不受影响。
下面这个是国外一个大佬的回答：
CountDownLatch是计数器，只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器提供reset功能，可以多次使用。
但是我不那么认为它们之间的区别仅仅就是这么简单的一点。我们来从jdk作者设计的目的来看，javadoc是这么描述它们的：
CountDownLatch: A synchronization aid that allows one or more threads to wait until a set of operations being performed in other threads completes.(CountDownLatch: 一个或者多个线程，等待其他多个线程完成某件事情之后才能执行；) CyclicBarrier : A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point.(CyclicBarrier : 多个线程互相等待，直到到达同一个同步点，再继续一起执行。)
对于CountDownLatch来说，重点是“一个线程（多个线程）等待”，而其他的N个线程在完成“某件事情”之后，可以终止，也可以等待。
而对于CyclicBarrier，重点是多个线程，在任意一个线程没有完成，所有的线程都必须等待。
CountDownLatch是计数器，线程完成一个记录一个，只不过计数不是递增而是递减，而CyclicBarrier更像是一个阀门，需要所有线程都到达，阀门才能打开，然后继续执行。
