控制多个线程分阶段共同完成任务的阶段器Phaser

Phaser简介

Phaser是JDK1.7开始引入的一个同步工具类，适用于一些需要分阶段的任务的处理。它的功能与 CyclicBarrier和CountDownLatch有些类似，类似于一个多阶段的栅栏，并且功能更强大，我们来比较下这三者的功能：

同步器	作用
CountDownLatch	倒数计数器，初始时设定计数器值，线程可以在计数器上等待，当计数器值归0后，所有等待的线程继续执行
CyclicBarrier	循环栅栏，初始时设定参与线程数，当线程到达栅栏后，会等待其它线程的到达，当到达栅栏的总数满足指定数后，所有等待的线程继续执行
Phaser	多阶段栅栏，可以在初始时设定参与线程数，也可以中途注册/注销参与者，当到达的参与者数量满足栅栏设定的数量后，会进行阶段升级（advance）

Phaser中有一些比较重要的概念，理解了这些概念才能理解Phaser的功能。

phase(阶段)

我们知道，在CyclicBarrier中，只有一个栅栏，线程在到达栅栏后会等待其它线程的到达。

Phaser也有栅栏，在Phaser中，栅栏的名称叫做phase(阶段)，在任意时间点，Phaser只处于某一个phase(阶段)，初始阶段为0，最大达到Integerr.MAX_VALUE，然后再次归零。当所有parties参与者都到达后，phase值会递增。

parties(参与者)

parties(参与者)其实就是CyclicBarrier中的参与线程的概念。

CyclicBarrier中的参与者在初始构造指定后就不能变更，而Phaser既可以在初始构造时指定参与者的数量，也可以中途通过register、bulkRegister、arriveAndDeregister等方法注册/注销参与者。

arrive(到达) / advance(进阶)

Phaser注册完parties（参与者）之后，参与者的初始状态是unarrived的，当参与者到达（arrive）当前阶段（phase）后，状态就会变成arrived。当阶段的到达参与者数满足条件后（注册的数量等于到达的数量），阶段就会发生进阶（advance）——也就是phase值+1。

Termination（终止）

代表当前Phaser对象达到终止状态，有点类似于CyclicBarrier中的栅栏被破坏的概念。

Tiering（分层）

Phaser支持分层（Tiering） —— 一种树形结构，通过构造函数可以指定当前待构造的Phaser对象的父结点。之所以引入Tiering，是因为当一个Phaser有大量参与者（parties）的时候，内部的同步操作会使性能急剧下降，而分层可以降低竞争，从而减小因同步导致的额外开销。

在一个分层Phasers的树结构中，注册和撤销子Phaser或父Phaser是自动被管理的。当一个Phaser的参与者（parties）数量变成0时，如果有该Phaser有父结点，就会将它从父结点中溢移除。

Phaser代码演示

为了更好的理解Phaser的功能，我们来看几个示例：

示例一：通过Phaser控制多个线程的执行时机：有时候我们希望所有线程到达指定点后再同时开始执行，我们可以利用CyclicBarrier或CountDownLatch来实现，这里给出使用Phaser的版本。

public class PhaserTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        Phaser phaser = new Phaser();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            phaser.register();                  // 注册各个参与者线程
            new Thread(new Task(phaser), "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

class Task implements Runnable {
    private final Phaser phaser;

    Task(Phaser phaser) {
        this.phaser = phaser;
    }

    @Override
    public void run() {
        int i = phaser.arriveAndAwaitAdvance();     // 等待其它参与者线程到达
         // do something
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 执行完任务，当前phase =" + i + "");
    }
}

输出：

Thread-8: 执行完任务，当前phase =1
Thread-4: 执行完任务，当前phase =1
Thread-3: 执行完任务，当前phase =1
Thread-0: 执行完任务，当前phase =1
Thread-5: 执行完任务，当前phase =1
Thread-6: 执行完任务，当前phase =1
Thread-7: 执行完任务，当前phase =1
Thread-9: 执行完任务，当前phase =1
Thread-1: 执行完任务，当前phase =1
Thread-2: 执行完任务，当前phase =1

以上示例中，创建了10个线程，并通过register方法注册Phaser的参与者数量为10。当某个线程调用arriveAndAwaitAdvance方法后，arrive数量会加1，如果数量没有满足总数（参与者数量10），当前线程就是一直等待，当最后一个线程到达后，所有线程都会继续往下执行。

注意：arriveAndAwaitAdvance方法是不响应中断的，也就是说即使当前线程被中断，arriveAndAwaitAdvance方法也不会返回或抛出异常，而是继续等待。如果希望能够响应中断，可以参考awaitAdvanceInterruptibly方法。

示例二：通过Phaser实现开关。在以前讲CountDownLatch时，我们给出过以CountDownLatch实现开关的示例，也就是说，我们希望一些外部条件得到满足后，然后打开开关，线程才能继续执行，我们看下如何用Phaser来实现此功能。

public class PhaserTest2 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Phaser phaser = new Phaser(1);       // 注册主线程,当外部条件满足时,由主线程打开开关
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            phaser.register();                      // 注册各个参与者线程
            new Thread(new Task2(phaser), "Thread-" + i).start();
        }

        // 外部条件:等待用户输入命令
        System.out.println("Press ENTER to continue");
        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        reader.readLine();

        // 打开开关
        phaser.arriveAndDeregister();
        System.out.println("主线程打开了开关");
    }
}

class Task2 implements Runnable {
    private final Phaser phaser;

    Task2(Phaser phaser) {
        this.phaser = phaser;
    }

    @Override
    public void run() {
        int i = phaser.arriveAndAwaitAdvance();     // 等待其它参与者线程到达

        // do something
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 执行完任务，当前phase =" + i + "");
    }
}

输出：

主线程打开了开关
Thread-7: 执行完任务，当前phase =1
Thread-4: 执行完任务，当前phase =1
Thread-3: 执行完任务，当前phase =1
Thread-1: 执行完任务，当前phase =1
Thread-0: 执行完任务，当前phase =1
Thread-9: 执行完任务，当前phase =1
Thread-8: 执行完任务，当前phase =1
Thread-2: 执行完任务，当前phase =1
Thread-5: 执行完任务，当前phase =1
Thread-6: 执行完任务，当前phase =1

以上示例中，只有当用户按下回车之后，任务才真正开始执行。这里主线程Main相当于一个协调者，用来控制开关打开的时机，arriveAndDeregister方法不会阻塞，该方法会将到达数加1，同时减少一个参与者数量，最终返回线程到达时的phase值。

示例三：通过Phaser控制任务的执行轮数

public class PhaserTest3 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int repeats = 3;    // 指定任务最多执行的次数

        Phaser phaser = new Phaser() {
            @Override
            protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {
                System.out.println("---------------PHASE[" + phase + "],Parties[" + registeredParties + "] ---------------");
                return phase + 1 >= repeats  || registeredParties == 0;
            }
        };

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            phaser.register();                      // 注册各个参与者线程
       new Thread(new Task3(phaser), "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

class Task3 implements Runnable {
    private final Phaser phaser;

    Task3(Phaser phaser) {
        this.phaser = phaser;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!phaser.isTerminated()) {   //只要Phaser没有终止, 各个线程的任务就会一直执行
            int i = phaser.arriveAndAwaitAdvance();     // 等待其它参与者线程到达
            // do something
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 执行完任务");
        }
    }
}

输出：

---------------PHASE[0],Parties[5] ---------------
Thread-4: 执行完任务
Thread-1: 执行完任务
Thread-2: 执行完任务
Thread-3: 执行完任务
Thread-0: 执行完任务
---------------PHASE[1],Parties[5] ---------------
Thread-0: 执行完任务
Thread-3: 执行完任务
Thread-1: 执行完任务
Thread-4: 执行完任务
Thread-2: 执行完任务
---------------PHASE[2],Parties[5] ---------------
Thread-2: 执行完任务
Thread-4: 执行完任务
Thread-1: 执行完任务
Thread-0: 执行完任务
Thread-3: 执行完任务

以上示例中，我们在创建Phaser对象时，覆写了onAdvance方法，这个方法类似于CyclicBarrier中的barrierAction任务。
也就是说，当最后一个参与者到达时，会触发onAdvance方法，入参phase表示到达时的phase值，registeredParties表示到达时的参与者数量，返回true表示需要终止Phaser。

我们通过phase + 1 >= repeats ，来控制阶段（phase）数的上限为2（从0开始计），最终控制了每个线程的执行任务次数为repeats次。

示例四：

Phaser支持分层功能，我们先来考虑下如何用利用Phaser的分层来实现高并发时的优化，在示例三中，我们其实创建了10个任务，然后10个线程共用一个Phaser对象，如下图：

如果任务数继续增大，那么同步产生的开销会非常大，利用Phaser分层的功能，我们可以限定每个Phaser对象的最大使用线程（任务数），如下图：

可以看到，上述Phasers其实构成了一颗多叉树，如果任务数继续增多，还可以将Phaser的叶子结点继续分裂，然后将分裂出的子结点供工作线程使用。

public class PhaserTest4 {
    private static final int TASKS_PER_PHASER = 4;      // 每个Phaser对象对应的工作线程（任务）数

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int repeats = 3;    // 指定任务最多执行的次数
        Phaser phaser = new Phaser() {
            @Override
            protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {
                System.out.println("---------------PHASE[" + phase + "],Parties[" + registeredParties + "] ---------------");
                return phase + 1 >= repeats || registeredParties == 0;
            }
        };

        Tasker[] taskers = new Tasker[10];
        build(taskers, 0, taskers.length, phaser);       // 根据任务数,为每个任务分配Phaser对象

        for (int i = 0; i < taskers.length; i++) {          // 执行任务
            Thread thread = new Thread(taskers[i]);
            thread.start();
        }
    }

    private static void build(Tasker[] taskers, int lo, int hi, Phaser phaser) {
        if (hi - lo > TASKS_PER_PHASER) {
            for (int i = lo; i < hi; i += TASKS_PER_PHASER) {
                int j = Math.min(i + TASKS_PER_PHASER, hi);
                build(taskers, i, j, new Phaser(phaser));
            }
        } else {
            for (int i = lo; i < hi; ++i)
                taskers[i] = new Tasker(i, phaser);
        }

    }
}

class Task4 implements Runnable {
    private final Phaser phaser;

    Task4(Phaser phaser) {
        this.phaser = phaser;
        this.phaser.register();
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!phaser.isTerminated()) {   //只要Phaser没有终止, 各个线程的任务就会一直执行
            int i = phaser.arriveAndAwaitAdvance();     // 等待其它参与者线程到达
            // do something
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 执行完任务");
        }
    }
}
输出：
---------------PHASE[0],Parties[3] ---------------
Thread-9: 执行完任务
Thread-6: 执行完任务
Thread-5: 执行完任务
Thread-4: 执行完任务
Thread-1: 执行完任务
Thread-0: 执行完任务
Thread-7: 执行完任务
Thread-8: 执行完任务
Thread-2: 执行完任务
Thread-3: 执行完任务
---------------PHASE[1],Parties[3] ---------------
Thread-3: 执行完任务
Thread-7: 执行完任务
Thread-0: 执行完任务
Thread-1: 执行完任务
Thread-5: 执行完任务
Thread-8: 执行完任务
Thread-2: 执行完任务
Thread-9: 执行完任务
Thread-6: 执行完任务
Thread-4: 执行完任务
---------------PHASE[2],Parties[3] ---------------
Thread-4: 执行完任务
Thread-2: 执行完任务
Thread-8: 执行完任务
Thread-0: 执行完任务
Thread-3: 执行完任务
Thread-9: 执行完任务
Thread-6: 执行完任务
Thread-7: 执行完任务
Thread-1: 执行完任务
Thread-5: 执行完任务